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微小電容測量方法介紹

1 充/放電電容測量電路

充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示。 由CMOS開關S1,將未知電容Cx充電至Ve,再由第二個CMOS開關S2放電至電荷檢測器。在一個信號充/放電周期內從Cx傳輸到檢波器的電荷量Q=Ve·Cx,在時鐘脈沖控制下,充/放電過程以頻率f=1/T重復進行,因而平均電流Im=Ve·Cx·f,該電流被轉換成電壓并被平滑,最后給出一個直流輸出電壓 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf為檢波器的反饋電阻) 。 充/放電電容測量電路典型的例子為差動式直流充放電C/V轉換電路,如圖2所示。 Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知,它們不影響電容Cx的測量)。S1-S4是CMOS開關,S1和S3同步,S2和S3同步,它們的通斷受頻率f的時鐘信號控制,每個工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為Vo=2KRfVeCxf (1)式中,K為差分放大器D3的放大倍數。 該電路的主要優點是能有效地抑制雜散電容,而且電路結構簡單,成本很低,經過軟件補償后電路穩定性較高,獲取數據速度快。缺點是電路采用的是直流放大,存在較大的漂移;另外,充/放電是由CMOS開關控制,所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應用于6、8、12電極的ECT系統中。其典型分辯率可達3*10-15F。

2 AC電橋電容測量電路 AC電橋電容測量電路如圖3所示,其原理是將被測電容在一個橋臂,可調的參考阻抗放在相鄰的一個橋臂,二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號源上,調節參考阻抗使橋路平衡,則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等。這種電路的主要優點是:精度高,適合作精密電容測量,可以做到高信噪比。 圖3電路的缺點是無自動平衡措施,為此可采用圖4所示的自動平衡AC電橋電容測量電路。 該系統輸出Vd為一直流信號,ΔC為傳感器的電容變化量。式中,2/π為相敏因子。 結合平衡條件,在理論上輸出Vd可寫成 獲得該電橋的自動平衡過程的步驟為:保證電橋未加載時ΔC=0,測量電橋非平衡值并利用公式(3)計算出電橋輸出為零時所需的反饋信號Ve的值。重新測量橋路的輸出,若輸出為零,則橋路平衡;若輸出不為零,重復上述測量步驟,直至橋路輸出為零,即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題,為此采取屏蔽電纜等復雜措施,而且其效果也不一定理想。通過實驗測得其線性誤差能達到±1*10-13F。

3 交流鎖相放大電容測量電路 交流型的C/V轉換電路基本原理如圖5所示。 正弦信號Ui(t)對被測電容進行激勵,激勵電流流經由反饋電阻Rf、反饋電容Cf,和運放組成的檢測器D轉換成交流電壓 Uo(t):若jωRfCf>>1,則(4)式為 式(5)表明,輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量,目前常用的是帶負反饋回路的C/V轉換電路。這種電路的特點是抗雜散性、分辨率可高達0.4*10-15F。

關鍵詞: 微小電容測量方

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