设为首页 加入收藏 期刊导航 网站地图

Applied Physics
Vol.07 No.01(2017), Article ID:19552,7 pages
10.12677/APP.2017.71003

Variable Frequency Differential Capacitance Sensor Digital Detection Circuit

Ming’an Hu, Mingzhuo Wang, Yan Wang, Xiaojuan Wang, Hui Chen

Sichuan University of Science & Engineering, Zigong Sichuan

Received: Dec. 30th, 2016; accepted: Jan. 15th, 2017; published: Jan. 18th, 2017

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

Based on the analysis of the differential symmetric frequency detection circuit (DFCT), two kinds of digital symmetric differential frequency detection integrated circuit are designed, and the characteristics of the circuit are discussed. The discrete component design digital symmetric differential of the resonance oscillation frequency detection circuit was tested. The results showed that for variable gap capacitive sensor, whether its output frequency of vibration or its subtraction of frequency is completely linear output. The output sensitivity reaches 0.084 μm/Hz.

Keywords:Variable Frequency Detection Circuit, The Sensor, Differential Circuit, Frequency Stabilization

电容传感器变频差动数字 检测电路研究

胡明安，王明灼，汪寅，王小娟，陈辉

四川理工学院，四川 自贡

收稿日期：2016年12月30日；录用日期：2017年1月15日；发布日期：2017年1月18日

摘 要

在差动对称式变频检测电路(DFCT)的分析基础上，设计了两种数字式对称差动变频检测集成电路，讨论了设计电路的特点。对设计出的分立元件多谐振荡数字式对称差动变频检测电路进行了试验，试验结果表明：对变间隙式电容传感器，不论是振荡的输出频率，还是两者的差频都是完全成线性输出的，输出的灵敏度达到0.084 μm/Hz。

关键词 :变频检测电路，传感器，差动电路，稳频

1. 引言

检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。

国内外学者对传感器的研究时间较早，各种各样的传感器器件非常多，在这些传感器件中，电容传感器由于具有非常多的优点与独特的特点得到了广泛的应用，电容传感器的检测电路有较多的类型 [1] [2] [3] [4] [5] ，其中调频检测电路具有许多独特的优点，如：

(1) 灵敏度高，可测至0.01 μm级位移变化量。

(2) 频率输出易于得到数字输出，而不需用A/D转换器。

(3) 能获得高电平(伏特级)直流信号，抗干扰能力强。

(4) 可以发送，接收实现遥测遥控。

但原调频检测电路，电路复杂，须采取稳频措施，要求频率稳定很高；电路输出非线性较大；尤其是稳频措施很难解决，采用频率稳定性很高的晶振或锁相环技术，随着被测量的变化，输出的频率也应进行相应的变化；但晶振或锁相环技术输出的频率基本不变，即不能进行检测，大大限制了该检测方法的应用。数年前研究出差动对称式变频检测电路(DFCT) [1] [2] 。该方法虽然能解决稳频问题，但电路复杂，对低通滤波器的要求也很高，也没解决输出的线性差的问题。本文对差动对称式变频检测电路(DFCT)的深入研究分析，提出数字式对称差动变频检测电路，获得较满意结果。

2. 数字式对称差动变频检测电路设计

2.1. 普通的LC正弦波振荡器的检测电路

基于差动放大电路零漂抑制基本原理，设计出两套相同的振荡电路将两路振荡经过模数变换，将正弦波变换成方波，经经门控电路和计数器变成数字信号，再经减法器输出。适用于一般LC正弦波振荡器的数字式对称差动变频检测电路设计的集成块图如图1，该电路外接的电容Cx为电容传感器，C为结构与Cx完全一样的固定电容，L为外接的完全一样的固定电感。若采用电感传感器，则C与Cx为固定电容，第一振荡电路外接电感为固定电感，第二振荡电路外接电感为电感传感器。当然采用C、Cx构成的差动电容传感器或差动电感传感器还可以使检测灵敏度再提高一倍，同时还可使输出线性得到改善。

Figure 1. Is suitable for the sinusoidal oscillator

图1. 适用于正弦波振荡器

电路外接的开关S及电容C1、C2、C3构成时基选择电路，当开关S接C1时基信号为1 S，输出信号可达到1 Hz的精度，当开关S接C2时基信号为10 S，输出信号可达到0.1 Hz的精度，当开关S接C3时基信号为100 S，输出信号可达到0.01 Hz的精度。

2.2. 适用于一般多谐振荡器的检测电路

该电路与图1比较更简洁，少了频–数(F-N)转换电路，其集成电路设计图见图2，因为振荡器产生的就是脉冲波；不必用频–数(F-N)转换电路进行转换；其他结构与图1完全一样。外接的电容Cx为电容传感器，CS为结构与Cx完全一样的固定电容，当然采用CS、Cx构成的差动电容传感器还可以使检测灵敏度再高一倍，同时还可使输出线性得到改善。

2.3. 分立元件设计的数字式对称差动变频检测电路

该数字式对称差动变频检测电路利用分立元件组成的上述电路获得。如图3所示，这是由双555时基电路SE556和一块四与非门电路74LS00所构成的检测电路，SE556内的两个555时基电路构成两个多谐振荡器，充放电电容CS是基准电容，CX是电容传感器。74LS00内的两个与非门为控制门，时基信号TS由1、2与非门的1、4脚输入，输出信号为数字信号N1、N2。N1、N2送到减法器电路直接相减(减法器电路没画出)，得到输出的数字信号。

该电路的电容传感器用变间隙式，则从理论上完全改变成线性输出特性，推导如下：

时基电路555组成多谐振荡器谐振频率可表示为 [6] ：

(1-1)

电路元件确定后，k就是不变的常量。

平板电容的容量可表示为：

(1-2)

Figure 2. Is suitable for the multivibrator

图2. 适用于多谐振荡器

Figure 3. Applicable circuit composed of the discrete component

图3. 适用分立元件所构成的电路

差动电容C1、C2可表示为：

(1-3)

(1-4)

将(1-2)、(1-3)、(1-4)式带入(1-1)式整理后可得差频的结果为：

(1-5)

式中，C0为差动电容平衡位置的电容，ΔC为差动电容动片移动Δδ位移所对应的容量的增量；由(1-5)式可见FµΔδ，由此可以得到变间隙式电容传感器的输出频率F与间隙位移Δδ在理论上也完全成线性关系。

3. 数字差动变频检测电路对変间式隙电容传感器的检测试验

3.1. 实验仪器设备

(1) 数字差动传感器检测电路(自制)

(2) 双输入计数器

(3) 水银温度计(0℃~100℃)

(4) 读数显微镜

(5) 自制差动电容传感器

(6) 物理支架

(7) 稳压电源

3.2. 实验电路

实验电原理图见图3所示，试验印刷电路板见图4所示。

由上述仪器设备进行了实验得到了满意的结果。

4. 数据及结果处理

4.1. 实验数据

表中数据的第一行，差频应调到零，但读数显微镜的精度为0.01毫米，根本不可能刚好调到两输出频率刚好相等。这说明这种位移检测方法的精度远高于读数显微镜的精度。

4.2. 实验结果图

将表中数据结果制成图，如图5所示。

图中的三条曲线都是直线，表明该实验的检测方法与理论推导的结果很相符，CH1、CH2的起点没在位移的零处，说明仪器调节的精度不能使CH1、CH2的频率调到相等。横坐标的测试点只有18点，即将其上的数依次减1，对应为0~18。

4.2. 实验结果及分析

对表1结果数据，当读数显微镜调到该处时，两输出的差频最小为20 Hz，当再调一小格(0.01 mm)则增大到560 Hz，当朝相反方向调一小格(−0.01 mm)则又减小为−520 Hz，表明读数显微镜的精度远小于该检测方法的精度。用表中差频输出的数据相邻相减，计算的前五组和后四组数据的算术平均值为1183，即是说位移0.1 mm对应差频输出1183 Hz，每变化1 Hz对应变化0.084 μm，可见其精度比读数显微镜高两个多数量级。

对图进行研究分析，由图可见，CH1、CH2及两者的差频CH都是直线，说明理论推导的变间隙式电

(a) 印板图 (b) 安装图

Figure 4. Printed and installation drawing

图4. 印图及安装图

Figure 5. Curve of relationship between displacement and output frequency; purple line shows the curve of figure CH1 outputted frequency f1; yellow line shows the curve of figure CH2 outputted frequency f2; pale blue line shows the curve of frequency f of output frequency's subtraction CH

图5. 位移与输出频率关系曲线图；图中紫线表示输出CH1口输出的频率f1曲线，黄线表示输出CH2口输出的频率f2曲线，浅蓝线表示输出差频CH频率f曲线

Table 1. Results data tables

表1. 结果数据表

容传感器的输出特性完全是线性的。由表中的第一栏数据CH1、CH2的平均值可得：当CH1为其平均值频率11,790 Hz时，CH1 = CH2，CH = 0，说明差动电容器的动片刚好位于两定片的正中，对应的电容为C0，对应的频率f0 = 11,790 Hz。

5. 小结

利用差动原理消除共模信号对电路影响，设计出了两种数字式对称差动变频检测集成电路。该电路的实验表明：消除传感器调频检测中频率不稳定的瓶颈问题，提高检测灵敏度，不必经A/D转换器直接变成数字输出信号，具有远程无线发射功能。还具有变间隙式电容传感器的输出为完全线性结果。输出的灵敏度达到0.084 μm/Hz。

基金项目

国家级大学生创新项目基金201410622002。

文章引用

胡明安,王明灼,汪 寅,王小娟,陈 辉. 电容传感器变频差动数字检测电路研究
Variable Frequency Differential Capacitance Sensor Digital Detection Circuit[J]. 应用物理, 2017, 07(01): 14-20. http://dx.doi.org/10.12677/APP.2017.71003

参考文献 (References)

  1. 1. 王明灼, 陈立峰. 基于CST检测技术及DFCT电路实现[J]. 现代电子技术, 2012(21): 151-155.

  2. 2. 王明灼. 一种传感器检测电路[P]. 中国专利, ZL201420644529.2. 2015-02-04.

  3. 3. Kwok, H.K. and Jones, D.L. (2000) Improved Instantaneous Frequency Estimation Using an Adaptive Short-Time Fourier Transform. IEEE Transactions on Signal Processing, 48, 2964-2972. https://doi.org/10.1109/78.869059

  4. 4. 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

  5. 5. 付进, 梁国龙. 基于瞬时频率估计的双曲调频检测技术[J]. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2007, 4(21): 61-65.

  6. 6. 华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 第4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

期刊菜单