CN111307183B - 阵列式电容传感器的动态测量电路 - Google Patents
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Abstract
阵列式电容传感器的动态测量电路，包括单片机、交叉选通开关阵列、正弦波信号发生器、CA转换电路、平衡电路、幅度解调电路、第一多路选择开关、低通滤波电路2、电平偏移电路和采样反馈电路。CA转换电路将交叉选通开关阵列选通的电容单元的电容值转换为正弦波信号，平衡电路抵消电容单元的静态电容的作用，输出仅反映电容单元的电容值相对变化率的微弱不平衡信号；幅度解调电路将微弱不平衡信号的幅值解出后经低通滤波电路2滤除交流信号后最终输出有用直流信号。本发明根据不同静态电容值自动调整电路参数，准确测出微弱电容的相对变化量。灵敏度高，响应速度快，抗干扰能力强，可以实现规模达数百个通道的电容阵列动态测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，特别涉及阵列式电容传感器的动态测量电路。
背景技术
电容传感器基本原理是把某种物理量，例如位移、面积、电介质等转化为电容，然后通过测量电容来间接测量所求物理量。电容传感器具有十分广泛的用途。尤其是在高精度检测领域，电容传感器具有无可替代的地位。电容传感器具有灵敏度高、响应快的优点，但是测量电路较为复杂。大部分情况下，电容传感器的电容量比较微弱，电路容易受到自身寄生参数、环境变化的影响，这使得问题变得更加复杂。
常见的微弱电容测量技术有直流充放电法、交流电桥法、V/T转换法和基于运算放大器的负反馈交流激励法。直流充放电法采用直流激励，测量精度容易受到放大器失调电压漂移的影响。另外，该方法要对电容进行快速充放电，需要用到电子开关，电路精度容易受电子开关电荷注入效应的影响。交流电桥法调零比较繁琐，而且容易受到电路寄生电容的影响，实际实施过程中需要复杂的屏蔽措施。该法对小电容的微弱变化测量较为困难。V/T转换法是利用测量电容充放电时间来测量电容值，同直流充放电法一样，测量精度容易受电路直流电压漂移和电子开关注入电荷的影响；从部分公开文献来看，目前微弱电容检测实际应用中测量精度最高的电路是基于运算放大器的负反馈交流激励法。该方法具有很高的分辨率，而且抗寄生电容能力强。另外还有一种高压双边激励检测方法，需要用到高频高压激励信号，仅使用于特定对象和场合，限制条件较多。
在上述电容检测方法中多用于电容的静态测量，然而在许多应用中需要测量电容随时间的动态变化。这除了对电路有精度要求外还有响应速度的要求；对于阵列式电容传感器，还要求电路具有多通道测量能力。
电子触诊技术是一种利用压力反馈及其平面分布来诊断乳腺内部组织硬度信息的技术，可在一定程度上替代传统的人工触诊。该技术所用的传感器是一个电容阵列探头，其结构如图1所示。探头敏感平面的水平和垂直方向上平行分布有窄的金属薄片，两组金属薄片平面之间填充有很薄的弹性绝缘介质。在两个平行平面上各选取一条金属薄片，在交叉处可以构成一个微小的平行板电容，如图2所示。
探头敏感面受力会使绝缘介质压缩，导致电容值发生变化。通过测量电容值的变化量可测出交叉点处的压强。在绝缘材料是完全弹性和理想平行板电容的假设下，可推导出交叉点处的压强正比于交叉电容的电容相对变化率：
C0是交叉点处的初始电容(也称本体电容或静态电容值)，ΔC是受压下的电容变化量，E是绝缘介质的杨氏模量，p是交叉点处的压强。要求电路输出正比于电容相对变化率而不是静态电容值C0。
实际应用中，因为交叉点处面积较小，所以静态电容值C0也比较小，大约在pF的数量级，这个电容值远小于线缆的寄生电容。另外，因为材料以及其它因素的限制，绝缘介质的应变也非常小，这导致了电容变化量ΔC非常小，大约在fF以下量级。
因为探头制造工艺的缺陷，电容单元之间一致性难以保证，探头批次之间的基础电容分布也有一定的差异性。为了获得较为一致的测量性能，要求电路对传感器电容有较强的自适应性。
为了达到较高的空间分辨率，要求电容阵列越密集越好。这要求电路能够具有多个通道快速切换的能力。实际诊断过程中要求压力分布图像以动态的形式呈现，因此又要求电路具有较高的响应速度。常规电容检测技术远远不能满足上述应用的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是公开一种阵列式电容传感器的动态测量电路。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
阵列式电容传感器的动态测量电路，包括单片机、交叉选通开关阵列、正弦波信号发生器、CA转换电路、平衡电路、幅度解调电路、第一多路选择开关、第二低通滤波电路、电平偏移电路和采样反馈电路；交叉选通开关阵列选通待测的阵列式电容传感器的电容单元，交叉选通开关阵列的输出端连接CA转换电路的第一输入端；正弦波信号发生器的四个输入端分别输入单片机输出的第一方波信号DS0、第二方波信号DS1、第一模拟信号AS0、第二模拟信号AS1，正弦波信号发生器的第一输出端连接CA转换电路的第二输入端，正弦波信号发生器的第二输出端连接平衡电路的第二输入端；平衡电路的第一输入端连接CA转换电路的输出端，平衡电路的输出端连接幅度解调电路的第一输入端；幅度解调电路的第二输入端连接单片机的方波信号输出端口；幅度解调电路的输出端通过第一多路选择开关连接到第二低通滤波电路的第一输入端；电平偏移电路输出一个直流偏移电压信号到第二低通滤波电路的第二输入端，第二低通滤波电路最终输出有用的直流信号到单片机的片内模数转换器中；采样反馈电路分别选通正弦波信号发生器的第一输出端、CA转换电路的输出端、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号后依次经第一多路选择开关、第二低通滤波电路后得到正弦波幅值信号并输出到单片机的片内模数转换器中。
进一步地，所述的平衡电路包括第二固定增益器和加法电路，第二固定增益器的输入端作为平衡电路的第二输入端，加法电路的第一输入端作为平衡电路的第一输入端，第二固定增益器的输出端连接加法电路的第二输入端，加法电路的输出端作为平衡电路的输出端。
进一步地，所述的幅度解调电路包括第一固定增益器、第一低通滤波电路和同步解调电路；第一固定增益器的输入端作为幅度解调电路的第一输入端，第一固定增益器的输出端经过第一低通滤波电路后连接到同步解调电路的第一输入端，同步解调电路的第二输入端作为幅度解调电路的第二输入端，同步解调电路的输出端作为幅度解调电路的输出端。
进一步地，所述的采样反馈电路包括第二多路选择开关和均方根电路，第二多路选择开关的输入端作为采样反馈电路的输入端，第二多路选择开关的输出端连接均方根电路的输入端，均方根电路的输出端作为采样反馈电路的输出端。
进一步地，所述的交叉选通开关阵列包括两组开关阵列、m+n个输入端、两个输出端；第一组开关阵列包括m组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第i组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第i组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接并作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的一个，第i组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；第二组开关阵列包括n组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第j组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第j组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接并作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的另一个，第j组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；其中m≥1，n≥1，1≤i≤m，其中1≤j≤n。
进一步地，所述的交叉选通开关阵列包括两组开关阵列、m+n个输入端、两个输出端；第一组开关阵列包括m个单刀双掷开关，第i个单刀双掷开关的公共端作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的一个，第i个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i个单刀双掷开关的第二端接地；第二组开关阵列包括n个单刀双掷开关，第j个单刀双掷开关的公共端作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的另一个，第j个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j个单刀双掷开关的第二端接地；其中m≥1，n≥1，1≤i≤m，1≤j≤n。
进一步地，所述的正弦波信号发生器包括两路正弦波产生电路；所述正弦波产生电路包括幅度控制电路、单刀双掷电子开关电路和滤波器；幅度控制电路的输入端输入单片机的片内DAC输出的模拟信号，幅度控制电路的输出端连接单刀双掷电子开关电路的一个输入端，单刀双掷电子开关的另一个输入端接地，单刀双掷电子开关电路的公共端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端输出正弦波。
进一步地，所述的CA转换电路包括第一电容(CR)、第二电容(C59)、第一运算放大器(U7-A)、第一电阻(R32)；第一电容(CR)的一端作为CA转换电路的第二输入端，第一电容(CR)的另一端分别连接第二电容(C59)的一端、第一电阻(R32)的一端、第一运算放大器(U7-A)的反相输入端；第二电容(C59)的另一端和第一运算放大器(U7-A)的同相输入端接地；第一运算放大器(U7-A)的输出端与第一电阻(R32)的另一端连接后作为CA转换电路的输出端；第一电阻(R32)的两端作为CA转换电路的第一输入端。
进一步地，所述的同步解调电路包括第二电阻(R49)、第三电阻(R50)、第四电阻(R51)、第五电阻(R52)、第六电阻(R53)、第七电阻(R66)、第八电阻(R67)、第九电阻(R68)、第三电容(C82)、第四电容(C119)、第二单刀双置开关(U11-B)、第二运算放大器(U10-A)、第三运算放大器(U10-B)；第二电阻(R49)的一端连接第二单刀双置开关(U11-B)的第一端并作为同步解调电路的第一输入端；第二单刀双置开关(U11-B)的第二端接地，第二单刀双置开关(U11-B)的公共端连接第四电阻(R51)的一端；第二电阻(R49)的另一端分别连接第六电阻(R53)的一端和第二运算放大器(U10-A)的反相输入端，第六电阻(R53)的另一端接地；第四电阻(R51)的另一端连接第二运算放大器(U10-A)的同相输入端，第二运算放大器(U10-A)的输出端通过第七电阻(R66)连接到第三运算放大器(U10-B)的反相输入端；第三电容(C82)和第三电阻(R50)并联后连接在第二运算放大器(U10-A)的反相输入端和输出端之间；第九电阻(R68)连接在第三运算放大器(U10-B)的同相输入端和地之间；第四电容(C119)和第八电阻(R67)并联后连接在第三运算放大器(U10-B)的反相输入端和输出端之间；第三运算放大器(U10-B)的输出端通过第五电阻(R52)后作为同步解调电路的输出端。
进一步地，所述的均方根电路包括第一电压跟随器(U15-A)、第十电阻(R69)、第十一电阻(R70)、第十二电阻(R71)、第十三电阻(R72)、第五电容(C148)、第四运算放大器(U15-B)、第一二极管(D9)和第二二极管(D10)；第二多路选择开关选通的正弦波信号经第一电压跟随器(U15-A)后输入到第十电阻(R69)的一端，第十电阻(R69)的另一端连接第四运算放大器(U15-B)的反相输入端；第十一电阻(R70)连接在第四运算放大器(U15-B)的同相输入端和地之间；第四运算放大器(U15-B)的输出端连接第二二极管(D10)的阳极；第五电容(C148)和第十二电阻(R71)并联后连接在第四运算放大器(U15-B)的反相输入端和输出端之间；第一二极管(D9)的阳极连接第四运算放大器(U15-B)的反相输入端，第一二极管(D9)的阴极连接第四运算放大器(U15-B)的输出端；第二二极管(D10)的阴极连接第十三电阻(R72)的一端，第十三电阻(R72)的另一端作为均方根电路的输出端。
本发明的阵列式电容传感器的动态测量电路，具有自动调零功能，能够根据传感器单元的不同初始电容值自动调整电路参数，使电路参数达到最佳配置，准确地测量出微弱电容的变化量。本发明解决了微弱传感器电容阵列下的检测问题，灵敏度高，响应速度快，可以实现动态测量。
附图说明
图1为阵列式电容传感器的结构示意图；
图2为阵列式电容传感器中两个交叉的金属薄片电极形成的平板电容示意图；
图3为本发明的阵列式电容传感器的动态测量电路的框图；
图4-1为本发明的交叉选通开关阵列的第一种实施方式的电路原理图；
图4-2为本发明的交叉选通开关阵列的第二种实施方式的电路原理图；
图5-1为本发明的正弦波信号发生器的电路框图；
图5-2为本发明的正弦波信号发生器的电路原理图；
图6为本发明的CA转换电路的电路原理图；
图7为本发明的同步解调电路的电路原理图；
图8为本发明的均方根电路的电路原理图。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明所述的连接指电连接，可以是直接电连接，也可以是通过某个器件间接电连接。
本发明所用的电容-电压转换方法基于电容测量的交流负反馈法，并在此基础上进行大量地改进，使得电路直接输出正比于电容相对变化率的直流电压信号。先通过交叉选通开关阵列将阵列式电容传感器中被选通的电容单元接入动态测量电路，被选通的电容单元的微弱电容变化量被调制为激励正弦波信号的幅值。为了去除传感器单元的静态电容的作用，产生另一路幅度和相位可调的正弦波，使其波形刚好与被选通的电容单元的静态电容引起的作用相互抵消。该过程称之为“调零”，该电路称之为“平衡电路”，幅度和相位可调的正弦波被称之为“平衡信号”。调零过程完成后，平衡信号的控制量被MCU存储。测量时，当阵列式电容传感器的被选通的电容单元的电容值发生变化时，平衡电路输出一个幅度正比于被接通的电容单元的电容变化率的正弦波。该正弦波的幅值被同步解调电路解出，经低通滤波后输出正比于被接通的电容单元的电容相对变化率的直流电压信号。
本发明的阵列式电容传感器的动态测量电路的框图如图3所示，包括单片机MCU、交叉选通开关阵列、正弦波信号发生器、CA转换电路、平衡电路、幅度解调电路、2:1的多路选择开关、低通滤波电路2、电平偏移电路和采样反馈电路。
MCU具有片内模数转换器ADC0、控制总线接口BUS0/BUS1/BUS2、IO输出端口CH0/CH1/CH2、片内数模转换器DAC0/DAC1。MCU通过控制总线接口BUS0输出控制总线信号DS3，通过控制总线接口BUS1输出控制总线信号DS4，通过控制总线接口BUS2输出控制总线信号DS5。MCU通过方波信号输出端口CH2输出方波信号DS2。MCU通过IO端口CH0输出方波信号DS0，通过IO端口CH1输出方波信号DS1，通过片内DAC0输出模拟信号AS0，通过片内DAC1输出模拟信号AS1，MCU通过DS0/DS1/AS0/AS1控制正弦波信号发生器。正弦波信号发生器具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端。CA转换电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。平衡电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。幅度解调电路具有第一输入端、第二输入端和输出端。采样反馈电路具有输入端和输出端。
交叉选通开关阵列选通待测的阵列式电容传感器的电容单元，交叉选通开关阵列的输出端连接CA转换电路的第一输入端。正弦波信号发生器的四个输入端分别输入MCU输出的第一方波信号DS0、第二方波信号DS1、第一模拟信号AS0、第二模拟信号AS1，正弦波信号发生器的第一输出端连接CA转换电路的第二输入端，正弦波信号发生器的第二输出端连接平衡电路的第二输入端。平衡电路的第一输入端连接CA转换电路的输出端，平衡电路的输出端连接幅度解调电路的第一输入端。幅度解调电路的第二输入端输入MCU输出的第三方波信号DS2。幅度解调电路的输出端通过一个2:1的多路选择开关连接到低通滤波电路2的第一输入端。电平偏移电路输出一个直流偏移电压信号到低通滤波电路2的第二输入端，低通滤波电路2最终输出有用的直流信号到MCU的片内模数转换器ADC0中。采样反馈电路分别选通正弦波信号发生器的第一输出端、采样CA转换电路的输出端、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号后依次经2:1的多路选择开关、低通滤波电路2后得到正弦波幅值信号并输出到MCU的片内模数转换器ADC0中。
所述的平衡电路包括固定增益器K2和加法电路，固定增益器K2的输入端作为平衡电路的第二输入端，加法电路的第一输入端作为平衡电路的第一输入端，固定增益器K2的输出端连接加法电路的第二输入端，加法电路的输出端作为平衡电路的输出端。
所述的幅度解调电路包括固定增益器K1、低通滤波电路1和同步解调电路。固定增益器K1的输入端作为幅度解调电路的第一输入端，固定增益器K1的输出端经过低通滤波电路1后连接到同步解调电路的第一输入端，同步解调电路的第二输入端作为幅度解调电路的第二输入端，同步解调电路的输出端作为幅度解调电路的的输出端。
采样反馈电路包括一个4:1的多路选择开关和均方根电路，4:1的多路选择开关的输入端分别连接正弦波信号发生器的第一输出端、CA转换电路的输出端、固定增益器K2的输出端、低通滤波电路1的输出端，采集上述各输出端的正弦波信号。4:1的多路选择开关的输出端连接均方根电路的输入端，均方根电路的输出端作为采样反馈电路的输出端。
所述的交叉选通开关阵列选通阵列式电容传感器中的某一个电容单元，包括m+n个输入端，分别连接到阵列式电容传感器中的第一组金属薄片与第二组金属薄片；包括两个输出端(X和Y)。m+n表示阵列式电容传感器中的第一组金属薄片与第二组金属薄片的数量之和，m≥1，n≥1。每组内的金属薄片在同一水平面并且相互平行，两组之间的金属薄片呈空间垂直分布。每组中的任一个金属薄片与另一组中任一个金属薄片空间垂直相交的地方，形成一个电容单元。交叉选通开关阵列的电路结构有两种实施方式。
交叉选通开关阵列的第一种实施方式如图4-1所示，包括两组开关阵列。第一组开关阵列包括m组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第i组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第i组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接到第一组金属薄片的其中一个金属薄片，第i组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；其中1≤i≤m。第二组开关阵列包括n组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第j组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第j组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接到第二组金属薄片的其中一个金属薄片，第j组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；其中1≤j≤n。交叉选通开关阵列在MCU的控制总线信号DS5的控制下，将第i组开关的第一个单刀单掷开关闭合，将第i组开关的第二个单刀单掷开关断开。第一组开关阵列中除第i组开关之外的其它组开关的第一个单刀单掷开关断开，除第i组开关之外的其它组开关的第二个单刀单掷开关闭合。即实现了将第一组金属薄片中的第i个金属片选通。同理，也可以实现将第二组金属薄片中的第j个金属片选通。从而实现了将第i个金属片和第j个金属片的垂直交叉处形成的电容单元选通。
交叉选通开关阵列的第二种实施方式如图4-2所示，包括两组开关阵列。第一组开关阵列包括m个单刀双掷开关，第i个单刀双掷开关的公共端连接到第一组金属薄片的其中一个金属薄片，第i个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i个单刀双掷开关的第二端接地；其中1≤i≤m。第二组开关阵列包括n个单刀双掷开关，第j个单刀双掷开关的公共端连接到第二组金属薄片的其中一个金属薄片，第j个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j个单刀双掷开关的第二端接地；其中1≤j≤n。交叉选通开关阵列在MCU的控制总线信号DS5的控制下，将第i个单刀双掷开关的第一端和公共端闭合，第一组开关阵列中其余单刀双掷开关的第二端和公共端闭合。即实现了将第一组金属薄片中的第i个金属片选通。同理，也可以实现将第二组金属薄片中的第j个金属片选通。从而实现了将第i个金属片和第j个金属片的垂直交叉处形成的电容单元选通。
所述的正弦波信号发生器的作用是，在MCU输出的DS0/DS1/AS0/AS1的控制下，产生两路正弦波信号AS2和AS9。正弦波信号发生器的电路框图如图5-1所示，包括两路正弦波产生电路，正弦波产生电路包括幅度控制电路、单刀双掷电子开关电路和滤波器；幅度控制
电路的输入端输入MCU的片内DAC输出的模拟信号，幅度控制电路的输出端连接单刀双掷电子开关电路的一个输入端，单刀双掷电子开关电路的另一个输入端地，单刀双掷电子开关电路的公共端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端输出正弦波。单刀双掷电子开关电路的控制端受单片机输出的方波信号的控制。
以图5-1为例进行原理说明：MCU输出的模拟信号AS0或AS1控制幅度控制电路产生一个受控的直流电压源，该直流电压源被MCU输出的一个50％占空比的方波信号DS0或DS1周期性截断，从而产生一个幅度受控的方波，方波的相位决定正弦波相位。受控方波进入滤波器后，3次以及3次以上的谐波被滤除，仅保留基频正弦波信号。正弦波信号的幅度和相位均受MCU控制。滤波器可以是有源或者无源低通滤波电路或者中心频率在基频的带通滤波器。
正弦波信号发生器的具体实施方式如图5-2所示，用其中一路正弦波产生电路来说明。幅度控制电路包括电压跟随器U1-A和U1-B、电阻R1、电容C1、电容C3。单刀双掷电子开关电路包括电阻R11、三极管Q1、电阻R2、电容C2。MCU输出的模拟信号DAC0经过电压跟随器U1-A后连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端经电压跟随器U1-B后连接到滤波器。单片机MCU输出方波信号CH0到电阻R11的一端，R11的另一端连接电容C2的一端、电阻R2的一端和三极管Q1的基极；电容C2的另一端、电阻R2的另一端和三极管Q1的发射极接地；三极管Q1的集电极通过电阻R1连接到电阻R3的另一端；电容C1和C3并联后一端连接到R3的另一端，电容C1和C3并联后另一端接地。
图5-2的工作原理为：MCU的片内DAC通过DAC0端口输出受控直流电压源(即模拟信号AS0)，直流电压源经过电压跟随器U1-A后输出给电阻3，同时单片机的CH0端口输出的一个占空比为50％的方波信号DS0，周期性控制三极管Q1的导通和关断。当Q1导通时，MCU输出的受控直流电压源经Q1后连接到地，当Q1关断时，MCU输出的受控直流电压源经电压跟随器U1-B后连到滤波器。
所述的CA转换电路的电路原理图如图6所示，包括电容CR、电容C59、运算放大器U7-A、电阻R32。CR的一端作为CA转换电路的第二输入端连接信号发生器输出的正弦波信号AS2，CR的另一端分别连接电容C59的一端、电阻R32的一端、运算放大器U7-A的反相输入端。电容C59的另一端和运算放大器U7-A的同相输入端接地。运算放大器U7-A的输出端与电阻R32的另一端连接后作为CA转换电路的输出端输出正弦波信号AS3。电阻R32的两端作为CA转换电路的第一输入端连接到交叉选通开关阵列的输出端。图中CX为交叉选通开关阵列选通的传感器单元的等效电容，CR为参考电容。
所述的同步解调电路的电路原理图如图7所示，包括电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R66、电阻R67、电阻R68、电容C82、电容C119、单刀双置开关U11-B、运算放大器U10-A和U10-B。电阻R49的一端连接单刀双置开关U11-B的第一端并作为同步解调电路的第一输入端输入正弦波信号AS5。U11-B的第二端接地，U11-B的公共端连接电阻R51的一端。U11-B受MCU输出的方波信号DS2的控制，在第一端和第二端之间切换。电阻R49的另一端分别连接电阻R53的一端和运算放大器U10-A的反相输入端，电阻R53的另一端接地。电阻R51的另一端连接运算放大器U10-A的同相输入端。运算放大器U10-A的输出端通过电阻R66连接到运算放大器U10-B的反相输入端。电容C82和电阻R50并联后连接在运算放大器U10-A的反相输入端和输出端之间。电阻R68连接在运算放大器U10-B的正相输入端和地之间。电容C119和电阻R67并联后连接在运算放大器U10-B的反相输入端和输出端之间。运算放大器U10-B的输出端通过电阻R52后作为同步解调电路的输出端输出正弦波信号AS6。
所述的均方根电路不包括低通滤波功能，均方根电路的输出与同步解调电路的输出分时复用同一个低通滤波电路，降低了电路的成本。均方根电路的电路原理图如图8所示，包括电压跟随器U15-A、电阻R69、电阻R70、电阻R71、电阻R72、电容C148、运算放大器U15-B、二极管D9和二极管D10。4:1的多路选择开关选通的正弦波信号经电压跟随器U15-A后输入到电阻R69的一端，电阻R69的另一端连接运算放大器U15-B的反相输入端。电阻R70连接在运算放大器U15-B的同相输入端和地之间。运算放大器U15-B的输出端连接二极管D10的阳极。电容C148和电阻R71并联后连接在运算放大器U15-B的反相输入端和输出端之间。二极管D9的阳极连接运算放大器U15-B的反相输入端，二极管D9的阴极连接运算放大器U15-B的输出端。二极管D10的阴极连接电阻R72的一端，电阻R72的另一端作为均方根电路的输出端输出正弦波信号AS13。
结合图3至图8，对本发明的动态测量电路的工作原理详细说明如下：
交叉选通开关阵列在MCU的DS5总线的控制下选通阵列式电容传感器中的一个电容单元，并将选通的电容单元接入到CA转换电路的第一输入端。如图4-1和图4-2所示，电路中X0、X1、X2、X3，......Xn-1、Y0、Y1、Y2、Y3，......Yn-1为传感器阵列电极(探头线缆接入信号)，X、Y为CA转换电路的接入点。
MCU输出DS0/DS1/AS0/AS1给正弦波信号发生器，正弦波信号发生器在DS0/DS1/AS0/AS1的控制下，由两路正弦波产生电路产生两个正弦波信号AS2和AS9。正弦波产生电路的工作原理在上文已经描述过，在此不再赘述。正弦波信号AS2输入到CA转换电路，正弦波信号AS9输入到固定增益器K2。
正弦波信号AS2可用函数表示为：
fAS2＝A0·sin(ωt) 公式(2)
A0为正弦波的振幅，ω为角频率，相位定义为0。
正弦波信号AS10幅度和相位受MCU控制(相对于信号AS2的相位)。
CA转换电路把交叉选通开关阵列选通的电容单元的容值的变化调制成正弦波信号AS3的幅值变化。该电路基于经典的交流法电容测量电路，区别在于被选通的电容单元的等效电容布置在反馈回路上。如图6所示，电路中CX为接通的传感器电容单元的等效电容，CR为参考电容。
一定近似条件下，CA转换电路输出的正弦波信号AS3表示为：
C0是选通的电容单元的初始电容(也称本体电容或静态电容值)，ΔC是电容变化量，Cr为参考电容。在ΔC为0时,fAS3为被选通电容单元的静态电容引起的正弦波输出。
正弦波信号AS9经固定增益器K2后，输出正弦波信号AS10，正弦波信号AS10与被接通的电容单元的静态电容所产生的正弦波信号的幅值相等相位相反，因此正弦波信号AS10产生的过程为：
在阵列式电容传感器处于完全静态时，按照一定的算法不断调节MCU的控制信号，控制信号发生器输出的AS9的幅值和相位，使得正弦波信号AS5的幅值趋近于0。
此时有：
该过程可以被称之为调零过程。调零完成后，MCU会存储受控的电路参数。之后每进行一次测量之前都会加载这个参数，使电路处于调零完成状态。
加载调零参数后，当被选通的电容单元容值发生变化时(相对于静态值)，信号AS3的幅值相对于静态时会发生轻微变化。此时AS3信号被接通电容单元的电容变化量和静态电容两个作用量影响。静态电容的作用量被正弦新AS10通过相加的方式抵消(经加法电路)。因此，加法电路的目的就是去除接通的电容单元的静态电容的输出，使得输出中仅包含电容变化量。加法电路可以通过反相比例加法器来实现。
加法电路输出经过一个固定增益器K1后再经过低通滤波电路1。低通滤波电路1滤除微弱信号中携带的部分噪声。经过低通滤波电路1后得到了与电容变化量有关的正弦波AS5，正弦波信号AS5的表达式为：
其中K1为固定增益电路K1设置的固定增益值。
同步解调电路的两个输入端分别输入正弦波信号AS5和方波信号DS2。DS2控制单刀双掷电子开关U11-B连接，改变电路的增益。电子开关周期性切换使得电路具有两种稳定的状态，两种状态导致的电路增益数值相同但符号相反。放大器U10-B对输出进行适当放大和滤波后输出。这种效果等同于于使正弦波信号AS5与一个对称方波信号AS2相乘。同步解调电路的输出AS6经过一个低通滤波电路2后滤除交流信号后，得到一个正比于传感器单元电容相对变化率的直流电压信号，电压值为：
Vzero为调零残余误差。一半单片机片内ADC仅能检测正的电压。为了保证有用信号U能被有效检测，通过电平偏移电路人为叠加了一个较小的直流信号AS12给低通滤波电路2的第二输入端，最后低通滤波电路2输出AS8信号表示为：
Voffset为电平偏移电路输出的较小的直流信号AS12。
4:1的多路选择开关、均方根电路用于电路的调零。在调零过程中，AS1、AS2、AS6和AS7的幅值被均方根电路分时测量。均方根电路的工作原理为：运算放大器U15-B构成同相精密半波整流电路，使得输出信号仅包含输入正弦信号的正半周，而负半周被强制为0。该半波信号经低通滤波后得到一个直流信号，该直流信号的电压值正比于均方根电路输入正弦波的幅值，从而可以采集输入信号的幅值(或者均方根，两者成正比例)。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，包括单片机、交叉选通开关阵列、正弦波信号发生器、CA转换电路、平衡电路、幅度解调电路、第一多路选择开关、第二低通滤波电路、电平偏移电路和采样反馈电路，其中：
所述的CA转换电路包括第一电容(CR)、第二电容(C59)、第一运算放大器(U7-A)、第一电阻(R32)；第一电容(CR)的一端作为CA转换电路的第二输入端，第一电容(CR)的另一端分别连接第二电容(C59)的一端、第一电阻(R32)的一端、第一运算放大器(U7-A)的反相输入端；第二电容(C59)的另一端和第一运算放大器(U7-A)的同相输入端接地；第一运算放大器(U7-A)的输出端与第一电阻(R32)的另一端连接后作为CA转换电路的输出端；第一电阻(R32)的两端作为CA转换电路的第一输入端；
所述的平衡电路包括第二固定增益器和加法电路，第二固定增益器的输入端作为平衡电路的第二输入端，加法电路的第一输入端作为平衡电路的第一输入端，第二固定增益器的输出端连接加法电路的第二输入端，加法电路的输出端作为平衡电路的输出端；
所述的幅度解调电路包括第一固定增益器、第一低通滤波电路和同步解调电路；第一固定增益器的输入端作为幅度解调电路的第一输入端，第一固定增益器的输出端经过第一低通滤波电路后连接到同步解调电路的第一输入端，同步解调电路的第二输入端作为幅度解调电路的第二输入端，同步解调电路的输出端作为幅度解调电路的输出端；
所述的采样反馈电路包括第二多路选择开关和均方根电路，第二多路选择开关的输入端作为采样反馈电路的输入端，第二多路选择开关的输出端连接均方根电路的输入端，均方根电路的输出端作为采样反馈电路的输出端；
交叉选通开关阵列选通待测的阵列式电容传感器的电容单元，交叉选通开关阵列的输出端连接CA转换电路的第一输入端；正弦波信号发生器的四个输入端分别输入单片机输出的第一方波信号DS0、第二方波信号DS1、第一模拟信号AS0、第二模拟信号AS1，正弦波信号发生器的第一输出端连接CA转换电路的第二输入端，正弦波信号发生器的第二输出端连接平衡电路的第二输入端；平衡电路的第一输入端连接CA转换电路的输出端，平衡电路的输出端连接幅度解调电路的第一输入端；幅度解调电路的第二输入端连接单片机的方波信号输出端口；幅度解调电路的输出端通过第一多路选择开关连接到第二低通滤波电路的第一输入端；电平偏移电路输出一个直流偏移电压信号到第二低通滤波电路的第二输入端，第二低通滤波电路最终输出有用的直流信号到单片机的片内模数转换器中；采样反馈电路分别选通正弦波信号发生器的第一输出端、CA转换电路的输出端、平衡电路和幅度解调电路输出的正弦波信号后依次经第一多路选择开关、第二低通滤波电路后得到正弦波幅值信号并输出到单片机的片内模数转换器中。
2.根据权利要求1所述的阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，所述的交叉选通开关阵列包括两组开关阵列、m+n个输入端、两个输出端；第一组开关阵列包括m组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第i组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第i组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接并作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的一个，第i组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；第二组开关阵列包括n组开关，每组开关包括两个单刀单掷开关，第j组开关的第一个单刀单掷开关的一端和第j组开关的第二个单刀单掷开关的一端连接并作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的另一个，第j组开关的第一个单刀单掷开关的另一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j组开关的第二个单刀单掷开关的另一端接地；其中m≥1，n≥1，1≤i≤m，其中1≤j≤n。
3.根据权利要求1所述的阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，所述的交叉选通开关阵列包括两组开关阵列、m+n个输入端、两个输出端；第一组开关阵列包括m个单刀双掷开关，第i个单刀双掷开关的公共端作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的一个，第i个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的一个输出端，第i个单刀双掷开关的第二端接地；第二组开关阵列包括n个单刀双掷开关，第j个单刀双掷开关的公共端作为交叉选通开关阵列的m+n个输入端中的另一个，第j个单刀双掷开关的第一端连接到交叉选通开关阵列的另一个输出端，第j个单刀双掷开关的第二端接地；其中m≥1，n≥1，1≤i≤m，1≤j≤n。
4.根据权利要求1所述的阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，所述的正弦波信号发生器包括两路正弦波产生电路；所述正弦波产生电路包括幅度控制电路、单刀双掷电子开关电路和滤波器；幅度控制电路的输入端输入单片机的片内DAC输出的模拟信号，幅度控制电路的输出端连接单刀双掷电子开关电路的一个输入端，单刀双掷电子开关的另一个输入端接地，单刀双掷电子开关电路的公共端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端输出正弦波。
5.根据权利要求1所述的阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，所述的同步解调电路包括第二电阻(R49)、第三电阻(R50)、第四电阻(R51)、第五电阻(R52)、第六电阻(R53)、第七电阻(R66)、第八电阻(R67)、第九电阻(R68)、第三电容(C82)、第四电容(C119)、第二单刀双置开关(U11-B)、第二运算放大器(U10-A)、第三运算放大器(U10-B)；第二电阻(R49)的一端连接第二单刀双置开关(U11-B)的第一端并作为同步解调电路的第一输入端；第二单刀双置开关(U11-B)的第二端接地，第二单刀双置开关(U11-B)的公共端连接第四电阻(R51)的一端；第二电阻(R49)的另一端分别连接第六电阻(R53)的一端和第二运算放大器(U10-A)的反相输入端，第六电阻(R53)的另一端接地；第四电阻(R51)的另一端连接第二运算放大器(U10-A)的同相输入端，第二运算放大器(U10-A)的输出端通过第七电阻(R66)连接到第三运算放大器(U10-B)的反相输入端；第三电容(C82)和第三电阻(R50)并联后连接在第二运算放大器(U10-A)的反相输入端和输出端之间；第九电阻(R68)连接在第三运算放大器(U10-B)的同相输入端和地之间；第四电容(C119)和第八电阻(R67)并联后连接在第三运算放大器(U10-B)的反相输入端和输出端之间；第三运算放大器(U10-B)的输出端通过第五电阻(R52)后作为同步解调电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的阵列式电容传感器的动态测量电路，其特征在于，所述的均方根电路包括第一电压跟随器(U15-A)、第十电阻(R69)、第十一电阻(R70)、第十二电阻(R71)、第十三电阻(R72)、第五电容(C148)、第四运算放大器(U15-B)、第一二极管(D9)和第二二极管(D10)；第二多路选择开关选通的正弦波信号经第一电压跟随器(U15-A)后输入到第十电阻(R69)的一端，第十电阻(R69)的另一端连接第四运算放大器(U15-B)的反相输入端；第十一电阻(R70)连接在第四运算放大器(U15-B)的同相输入端和地之间；第四运算放大器(U15-B)的输出端连接第二二极管(D10)的阳极；第五电容(C148)和第十二电阻(R71)并联后连接在第四运算放大器(U15-B)的反相输入端和输出端之间；第一二极管(D9)的阳极连接第四运算放大器(U15-B)的反相输入端，第一二极管(D9)的阴极连接第四运算放大器(U15-B)的输出端；第二二极管(D10)的阴极连接第十三电阻(R72)的一端，第十三电阻(R72)的另一端作为均方根电路的输出端。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |