2002年12月传感技术学报第4期NewSmallCapacitanceMeasuringCircuitforCapacitanceSensorWANGLei,WANGBaoliang,JIHaifeng,HUANGZhiyao,LIHaiqing(NationalKeyLaboratoryofIndustrialControlTechnology,InstituteofAutomationInstrumentation,DepartmentofControlScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,P.R.China)Abstract:Anewsmallcapacitancemeasuringcircuitbasedonchargeamplifierprinciplewasdevelopedforca2pacitancesensor.Theadvantagesofthiscircuitarestray2immune,highresolutionbecauseofnoeffectofchargeinjectionandhighdataacquisitionratebecauseofnofilterinthiscircuit.Testresultsshowthatthelinearityofthiscircuitisgood,thesensitivityof4.8mVfFandresolutionof0.5fFcanbeachieved.Keywords:capacitance;measurement;sensor;circuit,,黄志尧,李海青,杭州,310027)摘要:基于电荷放大原理提出了一种新型的用于电容传感器的微弱电容测量电路。该电路具有较强的抗杂散电容性能;较好的解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题;该电路无需滤波器,基于该新型电路的电容数据采集系统可以达到很高的数据采集速度。试验测试表明该电路线性度好,灵敏度为4.8mVfF,分辨率可达到0.5fF。关键词:电容;测量;传感器;电路中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1004-1699(2002)04-0273-051引言电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。在某些场合,例如电容层析成像系统中,传感电容的变化量小至fF级,这就对电容测量电路提出了更高的要求。在现阶段测量飞法级的电容主要有以下几方面的困难:①杂散电容往往要比被测电容高的多,被测量常被淹没在干扰信号中;②测量电路一般要使用一定量的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除;③由于测量对象的快速多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决,滤波器存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题[1,2]。目前,用于解决测量微弱电容的方法主要有电荷转移法和交流法。这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对被测电容进行充放电,形成与被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被测电容值。但是由于连续充放电测量信号中具有脉动噪声,需要先进行滤波除去其中的脉动成分,但滤波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈。另外,电荷转移法是利用电子开关网络控制电路的充放电,电了开关的电荷注入效应对测量结果的影响还难以完全消除;交流法需要考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高[3～5].来稿日期:2002207204①基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(600094);国家自然科学基金重大资助项目(59995460-5);“”国家八六三计划专项经费资助项目(2001AA413210)。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2002年27传感技术学报4本文针对以上问题,提出并设计了一种基于电荷放大原理的电容测量电路,一方面该电路对被测电容只进行一次充放电,即可完成对电容的测量,由于测量结果是直流稳定信号,不存在脉动成分,故电路中无需滤波器,因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。另一方面该电路较好的解决了电子开关的电荷注入效应的对测量精度的影响问题,使电路达到了较高的分辨率;对微弱电容数据采集提供了一种新的思路和方法。2新型电路测量原理图1示出了基于电荷放大原理提出的新型微弱电容测量电路的原理图。图1图中,Cx为被测电容,极,右侧极板为检测电极。Cas,,。Cbs在检测过,Cbs的两端无电压差,因而它也对电容测量无影响,因而整个电路对杂散电容的存在不敏感[3,6],即该电路具有较强的抗杂散电容的性能。0,,在关,流入测量电路。另一方面是由栅极与漏、源极间的寄生电容存储的电荷释放流入测量电路造成的[7～10]。本文对各开关的控制时序进行了合理的设计,用以解决电子开关的电荷注入效应。各开关的控制信号的时序图如图3所示。首先考虑当S3断开时的情况,由于电荷注入效应,电荷将分别从源极与漏极两个节点流出。流向运放输出节点的部分电荷产...