一个新颖的接口电路用于接地基于前馈电容式传感器主动屏蔽

1、.一个新颖的接口电路用于接地基于前馈电容式传感器主动屏蔽Ferran Reverter1,2, Xiujun Li2 and Gerard C M Meijer2摘要本文提出并分析一种新型的电容式传感器接口电路，其中一个电极接地。新颖的设计使电荷平衡的张弛振荡器（到目前为止浮动电容式传感器应用），适合于测量接地电容式传感器和应用先进的测量技术，如自动校准砧板。此外，这些技术相结合，与前馈基于主动屏蔽，而不是通常的反馈为基础的，从而避免了不稳定的问题。一已实施分立元件和新颖的接口电路的原型测试传感器之间的27 pF和330 pF的电容和不同长度的互连电缆。非线性误差小于0.1FSS的10米电缆。

2、关键词：传感器电子接口，电容式传感器，张弛振荡器，主动屏蔽（在这篇文章中的一些数字，颜色只有在电子版）1. 简介电容式传感器在实验室越来越普遍和工业测量感压力，加速度，湿度，液位，距离，等等1，2。这种传感器可分为两组3，4：浮动电容传感器（电极既不是即传感器接地）和接地（即传感器的电容式传感器这两个电极之一是接地）。前者是可取的，因为他们可以读取接口电路本质免疫杂散电容3，4。然而，由于安全原因和/或经营的浮动限制电容式传感器，接地电极之一可能不可避免的，在某些应用中，例如：水平在接地的金属的导电液体的测量容器2，5，6或测量距离/接近接地的金属物体7。近年来，浮动电容接口电路传感器都发生了

3、很大的进展，以致低成本可以轻松实现精确的电路CMOS IC技术8-12。这种电路适用许多先进的测量技术（如双端口测量，自动校准和砧板）以减少输出信息的不确定性。没有接地电容式传感器接口电路经历了同样的进步浮动电容传感器和几个备选方案可供选择。通常的接口电路是一个简单的RC振荡器，要么实施555定时器IC或模拟比较2，7，13，14。当传感器远程电子，这样一个RC振荡器适用于有源屏蔽技术（一般，反馈控制手段）互连屏蔽电缆3。然而，这样的设计解决方案，显示了稳定准确的权衡14。另一个有趣的接口电路适用于主动屏蔽接地电容式传感器基于前馈技术已在15虽然其性能不报，没有先进的测量技术的应用。修改后的桥

4、电路接地电容式传感器用于测量6已提出，但问题有关主动屏蔽没有得到解决。本文提出了一种新颖的接口电路接地电容式传感器。设计新颖，适应已知测量技术（迄今浮动电容传感器）接地电容式传感器。此外，这种技术是结合前馈有源屏蔽。图1。接地的电容式传感器的新颖的接口电路示意图2.接口电路2.1电路概述图1显示了一个新颖的简化原理图接口电路。接地电容式传感器（CX）通过屏蔽电缆连接到接口电路，这是由积极的屏蔽电路（解释在第2.3节）。多路复用器（三个模拟形成开关Sa，Sb和Sc）选择接地电容来衡量，它可以：传感器电容（CX），参考电容（Cref）或偏移（流浪）电容地（Coff）。选定的电容，然后连接。通过前端

5、的电荷平衡弛张振荡器电路（2.2节中解释）。这种振荡器，已使用过的浮动电容式传感器10，11，是形成了由运算放大器（运算放大器作为配置）积分器，比较器，一个受控电流源（Ich）控制单元，后者产生的数字控制信号V1，VD1和。振荡器提供了一个信号，其期间（TX，Tref和Toff）是成正比的接地电容选择（CX + Coff，Cref + Coff和Coff，分别）。这种期间，然后由微控制器直接测量。下一步，以补偿偏移和增益误差， 自动校准技术应用计算以下的比例10： 从（1），传感器电容值可估计CX = MCref2.2。前端电路接地电容式传感器的两个电极之一接地和，因此，只有一个电极为测量。因

6、此，一个单端口测量必须执行，而不是通常的两端口应用测量浮动电容式传感器10，11。为了做到这一点，我们建议前端电路如图1所示。该电路只是一个开关2到1（Sd）和工作原理如下。最初，接地电容由多路复用器选择（从现在开始上，C）是连接到VD1的。如果VD1= '1'，那么C是收取正电源电压（VDD），但是，如果VD1= 0“，然后C是对地放电。此后，C是连接到集成商，而且由于虚拟短路，在输入运算放大器，电荷Q= CVDD/2，是从C到反馈电容CINT（或从CINT到C，这取决于VD1的价值）。这将导致一个负（或正）积分器的输出电压步进（VINT）等于不同的接地电容的电荷转移电路传感

7、器在建议3，15，在图1的前端电路可转换传感器的信息，以积极和消极信号（方程（2）。这使得应用电路斩波技术10，11，其解释的好处2.3节。图2显示了前端的控制信号（j和VD1）电路，连同其他有关信号+ , + 斩波顺序应用。这表明VINT电压步骤如何生成由C（方程（2）转换的时间间隔Ts的，我（= CVDD/（2|ICH|）集成ICH10。图2还显示所起的作用C0（图1）：它产生VINT其他电压步骤（VINT= C0VDD/Cint）转换时间间隔T0的，T0,i（= C0VDD/| ICH|），而C是采样VD1（即当j= 1）。因此，振荡器的输出周期T图2中的信号等于这是由选定的电容C成正比

8、复用器图2。电路的一些相关的信号波形图1时，“+”。斩波序列应用。2.3。有源屏蔽电路远程接地电容式传感器的测量应该是不敏感的寄生电容（CP1和CP2图1）互连的屏蔽电缆。要实现这样一个目标，最好是申请主动屏蔽技术，它依赖于电缆的内导体。通常的方法这样做是一个基于反馈的有源屏蔽，这意味着可以轻松实现与配置作为一个运算放大器电压跟随器3。令人遗憾的是，这样的解决方案显示了通过寄生元件的正反馈路径可以带来电子不稳定14。都电位相等的另一种方法是通过前馈技术手段。其基本思想是以下内容：如果潜在价值的内部应用导体是事先知道，这些也可以被应用到没有反馈需要。根据图2，电压VC（这是适用于内导体）可地面，

9、VDD/ 2或VDD。因此，基于前馈可以很容易地与一个实施主动屏蔽开关Se与Sd相15，如图1。此配置可确保等于内在电压和稳定，因为没有反馈。这技术也是在运作时间延迟不敏感开关Sd和Se。例如，如果Sd改变位置0，但Se仍是在位置1，然后CP1贡献充电到CINT。然而，这样的收费流量从CINT CP1时，Se变化位置为0，因此，只是CX有助于有效的电荷转移到CINT。它是没有必要的在任何时刻的内在电压，但他们必须在同一个作业阶段结束。因此，差异从交换机Sd看到的RC电路的时间常数和Se是没有问题的，这样的时间常数比间隔时间Ts小（图2）。低频非理想运算放大器在图1（如输入失调电压和1 / f噪

10、声）能带来跨CP1 CX连接时的电压差积分（即Sd和Se在位置0）。这整个CP1的电压差可以影响电荷转移到CINT。然而，这些影响在补偿时域应用斩波技术手段（图2）。请注意，这种影响不能补偿这三个信号的技术，因为只有传感器测量受到他们影响。3。材料和方法一个原型的接口电路如图1所示已建成使用分立的印刷电路板（PCB）组件。电路板是一个单电源供电电压VDD= 5 V多路复用实施一个MAX4560，其中包括三个交换机2到1。 “前端开关和有源屏蔽电路另一个MAX4560实施。张弛振荡器实现了由一个运算放大器（OPA2350），比较（MAX987）和受控电流源ICH=±25A。有了这样的电

11、流和应用的电容，振荡器产生一个输出信号，其频率范围几十千赫。控制单元，这是一些实施简单的数字门，运用了“+ - + - ”斩序列，如图2所示。微控制器是一个PIC16F876（微芯片）为20 MHz的时钟频率运行，从而实现的TS =200毫微秒的数字定时分辨率。为了减少量化效应，微控制器测量128振荡器的输出信号的连续时期。“使用分压器和电压VDD/2运算放大器（AD8607）作为电压跟随器配置;这样的运算放大器是能够驱动高价值的容性负载。在图1中的电路进行了测试传感器电容（CX）之间的27 pF和330 pF的（这是一个典型的的范围电容式液位传感器16）和不同长度的互连电缆（22米）。传感器

12、电容（CX）电容，其实际值模拟由阻抗分析仪（安捷伦4294A）测得。 “互连电缆模拟电容器CP1和CP2的规则CP1 = CP2= 100 PFM - 1，这是通常在三轴电缆第二挡板是连接到地面。其余的电容电路Cref= 330 PF，CINT= 470 pF和C0=47 pF的。所有的电容NP0陶瓷。图3。实验结果为0米的线性测试互连电缆。图4。比M与电缆长度不同的价值观CX。图5。最大非线性误差对各种电缆长度4。实验结果与讨论图3显示了M，这是平均计算100个值，不同的价值观和CX为0米互连电缆。它还显示的直线拟合最小二乘法的手段和实验数据由此产生的非线性误差，这是作为一个部分表示满刻度量

13、程（FSS）。测量结果表明：非常良好的线性，精确的最大非线性误差约为0.026FSS的，这相当于86 fF。当电容器CP1和CP2分别置于效仿没有成为互连电缆，接口电路不稳定。期间发送（但不Tref和Toff），因此， M与CP1和CP2的比例有关。图4显示了M取决于电缆长度CX的不同。M是10米，几乎是独立的。然而，对于> 10米，M的增大，等增幅较高，CX值低。据2.3节，在这些条件下这些错误的原因可以看到的时间常数从交换机Se（这是由高值CP2确定）的时间间隔时间Ts(这是由低价值的CX确定）。这种影响增加，它可以执行的TS，可以减少使用较小的Ich，或减少时间常数。从开关Se，可

14、以选择开关与一个较小的电阻。根据实验结果示于图4，在正常操作条件下使用相同的电缆长度执行现场校准测量系统的高精度的应用是可取的。因此对于这个，我们进行分析的线性M与每个测试电缆长度CX的值。实验结果在图5中做了总结。最大非线性误差电缆长度增加，但它仍然是可以接受的（即小于1的FSS）。例如，误差为0.03FSS，0.06FSS和0.12，为1米，5米和10米的FSS互连电缆。这些较简单的RC振荡器获得的电路与基于反馈的有源屏蔽相比错误很多， 10米电缆，错误的是30倍以上。因此，新颖的接口电路更稳定，线性的，虽然它是更为复杂。对于测量时间约30毫秒，标准偏差的比例，M是小于50 ×10-6，几乎独立的传感器电容和电缆长度。在满刻度（即M = 1），这样的标准偏差对应的分辨率为14.3位。提到的测量时间，包括所有三个测量需要执行的三个信号的技术，都是可以接受的，例如，液位测量。5。结论本文介绍了一个新的接口电路用于接地电容式传感器。用两个简单而有效的开关（Sd Se在图1）确定的操作新颖的电路。第一个开关（Sd），使电路运用