微弱信号检测4.ppt

微弱信号检测 4 自适应噪声抵消 * * 3.1.1 电容检测基本方法 微系统输出电容一般只有几皮法，且随着器件 尺寸的减小而减小，因此电容检测十分重要，设计高灵敏度的检测电路检测小电容，对于提高传感器的性能至关重要。若灵敏度不高，小电容信号很可能被噪声淹没。 目前小电容的检测方式包括： (1)将电容信号转化成频率信号，即输出信号频率的变化反映测量电容的变化。电路中大多采用振荡器的形式，电路中其他电容、电阻的实际值与标称值误差很小，才能保证测量的准确性。 3.1 电容检测 3.1.1 电容检测基本方法 微系统输出电容一般只有几皮法，且随着器件 尺寸的减小而减小，因此电容检测十分重要，设计高灵敏度的检测电路检测小电容，对于提高传感器的性能至关重要。若灵敏度不高，小电容信号很可能被噪声淹没。 目前小电容的检测方式包括： (1)将电容信号转化成频率信号，即输出信号频率的变化反映测量电容的变化。电路中大多采用振荡器的形式，电路中其他电容、电阻的实际值与标称值误差很小，才能保证测量的准确性。 典型小电容测量如下图所示。 待测电容通过恒定电流充、放电，由模拟开关 控制，模拟开关的通断由输出方波控制。迟滞比 较器有两个阈值电压Vb+和Vc+，两个比较器的输出作为多路器输入，将电容两端的信号转化为方波信号，输出电压的频率与恒流源、比较器的上下阈值电压及未知电容的容量有关，为: ②采用开关电容电路，可以比较方便地将传感器 和测量电路进行集成。开关电容在小电容信号处 理方面有很大的优势。 利用开关电容电路，通过一定频率的时钟信号控制开关的通断，使电容在一定的时间内充、放电，将未知电容转化成电压信号、数字信号或频率信号。 下图分别转换为直流电压信号和数字信号。 ③采用相位测量法，以滤波器的基本原理作为测 量的基本依据。 在低通滤波器中，输出信号和输入信号的相位 会产生滞后，相位差为 如果输入信号频率、电阻的阻值和输入、输出相位差确定，则可利用上式求得未知电容的容量。 ④将电容信号转化成电压信号，是目前应用最广的微小电容检测方法，其前置放大器可分为开关型和调制解调型两类。 调制解调型电路将低频信号调制成高频交流信号，经交流放大，然后解调还原成对应的低频信号。 实际检测方法通常是以上方法的组合。 3.1.2 典型电容检测电路 ——微小差分电容转化为电压输出的检测电路 原理框图如图所示。 在电容测量中，检测电容通常在10－12F数量级甚至更小，电容的变化量则在10-15~10-18F数量级。 (1)高频正弦信号发生器 采用数字电路和数模转换电路产生正弦波，在波幅稳定性和频率稳定性方面都优于模拟电路产生的正弦信号。 (2)电容－电压转换电路 电路如图，Cx为待测电容，Rf为反馈电阻。 当输入频率为f 的正弦信号时，Cx上的容抗为： 运算放大器的增益为： 可见，当频率一定时，通过测量Uo、Ui的值可以计算出待测电容的值。 (3)交流放大电路 交流放大电路如图， 正弦信号加在待测电 容Cx上，将待测电容 转换为交流电压信号。 运放A2构成一级电压放大器，R5为反馈电阻，C3为补偿电容，可以减小运放的噪声。由于信号频率较高，C3的阻抗较大，对A2的增益影响可以忽略。 放大器的增益为： A3构成一级电压跟随器，起缓冲作用，降低输出阻抗，增强驱动能力。总的增益为： (4)移相电路 为实现同步检波，可将正弦波信号经过移相， 使相位发生变化，作为同步检波电路的参考信号。 式中： 当R7=R9时， 令 则 当ω=ω0时，即 当ω→0时，f →0，tanφ=-1，输出的相移为180° 当ω→∞时，f→∞，tanφ= 0，输出的相移为 0° 调节电位器RRP2，可以改变输出与输入信号相位差。 (5)同步检波电路 同步检波如图所示。采用双平衡模拟乘法器 MC1596，具有较好的载波抑制比，较高的共模 抑制比，平衡输入和增益调节方便等优点。 用差放A5接收MC1596的输出信号，组成具有一定电压增益的电平移动电路。A6组成有源低通滤波，滤除同步检波输出的高频分量，并将输出转换为直流信号。电容C10的作用是抑制脉冲尖峰。 *