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財(cái)訊中國(guó)

微小電容測(cè)量方法介紹

來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 2022-01-26 18:00:27
1 充/放電電容測(cè)量電路

充/放電電容測(cè)量電路基本原理如圖1所示。 由CMOS開(kāi)關(guān)S1,將未知電容Cx充電至Ve,再由第二個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)S2放電至電荷檢測(cè)器。在一個(gè)信號(hào)充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve·Cx,在時(shí)鐘脈沖控制下,充/放電過(guò)程以頻率f=1/T重復(fù)進(jìn)行,因而平均電流Im=Ve·Cx·f,該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑,最后給出一個(gè)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(cè)量電路典型的例子為差動(dòng)式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路,如圖2所示。 Cs1和Cs2分別為源極板和檢測(cè)極板與地間的等效雜散電容(通過(guò)分析可知,它們不影響電容Cx的測(cè)量)。S1-S4是CMOS開(kāi)關(guān),S1和S3同步,S2和S3同步,它們的通斷受頻率f的時(shí)鐘信號(hào)控制,每個(gè)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(shù)。 該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制雜散電容,而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本很低,經(jīng)過(guò)軟件補(bǔ)償后電路穩(wěn)定性較高,獲取數(shù)據(jù)速度快。缺點(diǎn)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(kāi)關(guān)控制,所以存在電荷注入問(wèn)題。目前該電路已成功應(yīng)用于6、8、12電極的ECT系統(tǒng)中。其典型分辯率可達(dá)3*10-15F。

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

3 交流鎖相放大電容測(cè)量電路 交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路基本原理如圖5所示。 正弦信號(hào)Ui(t)對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行激勵(lì),激勵(lì)電流流經(jīng)由反饋電阻Rf、反饋電容Cf,和運(yùn)放組成的檢測(cè)器D轉(zhuǎn)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(cè)電容值。為了能直接反映被測(cè)電容的變化量,目前常用的是帶負(fù)反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路。這種電路的特點(diǎn)是抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.4*10-15F。

關(guān)鍵詞: 微小電容測(cè)量方

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