一种电容电压转换电路制造技术

本发明专利技术提供一种电容电压转换电路，包括CPU单元、方波激励信号发生电路、被测电容（C）、同步数字检波电路、分时积分电路、低通RC滤波电路；CPU单元用于产生同步激励信号和逻辑控制信号；方波激励信号发生电路用于以所述同步激励信号为触发信号将一基准电平转换为方波激励信号输出用于施加在被测电容（C）上激励被测电容（C）；同步数字检波电路连入被测电容（C）的返回端，用于以同步激励信号为触发信号将被测电容（C）的返回信号检波为积分半波信号；分时积分电路用于以同步激励信号为触发信号将积分半波信号分时积分，输出直流电平。该转换电路解决了电容电压转换电路结构复杂、适用范围有限、误差较大、检测灵敏度低的技术问题。

A capacitive voltage conversion circuit

The invention provides a capacitive voltage conversion circuit, which includes a CPU unit, a Fang Bo excitation signal generator circuit, a measured capacitance (C), a synchronous digital demodulation circuit, a time-sharing integral circuit, a low pass RC filter circuit, a CPU unit for generating a synchronous excitation signal and a logical control signal; a square wave excitation signal generator circuit is used for the purpose. The synchronous excitation signal is converted to a square wave excitation signal output for the trigger signal to be applied to the measured capacitance (C) on the measured capacitance (C); the synchronous digital detection circuit is connected to the return end of the measured capacitance (C), and is used to check the return signal of the measured capacitance (C) with the synchronous excitation signal as the trigger signal. The wave is an integrated half wave signal. The time sharing integral circuit is used to synchronize the excitation signal as the trigger signal to integrate the half wave signal and output the DC level. The conversion circuit solves the technical problems of complex capacitance voltage conversion circuit, limited application scope, large error and low detection sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
一种电容电压转换电路
本专利技术涉及电容测量
尤其涉及一种电容电压转换电路。
技术介绍
目前，电容式传感器以其结构简单、动态响应好、灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点而被广泛使用。电容式传感器的基本原理是通过测量电容的变换来反应被测物理量的变化。电容式传感器的电容通常较小，其测量方法主要是将电容转换对应的电压，再将电压信号通过模数转换的方式进行数字变换后进行采集和分析。目前的电容电压转换方法中：LRC电桥测量方法，结构复杂，所需硬件资源多因而成本较高，测量结果受桥臂电容性能影响较大因而抗干扰能力差，；振荡激励测量方法，对激励信号的幅度和频率的精确性要求高，测量应用范围有限，且精度达不到微小0.1PF级别的分辨率。同时上述两种方法都需要提供一个振荡激励电压源作用于被测电容上，同时对返回的电流信号进行积分而得到电压信号，为了得到一个稳定的直流电压信号，工程应用上通常采用交流激励电压源对电容信号进行激励，在电容信号的返回端设置二极管回路进行检波，再经滤波电路后实现电压的稳定输出，而在很多电容变换的应用场景下，电容信号的传输电缆较长，二极管的导通特性损耗，其测量精度和测量稳定性大大下降，同时由于二级管参数和的偏移，最后导致测量误差较大，抗干扰能力弱、检测灵敏度低。因此在现有技术中电容电压转换方法，尤其在测量小电容值电容时存在结构复杂、适用范围有限、抗干扰能力弱、误差较大、检测灵敏度低的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中电容电压转换方法，尤其在测量小电容值电容时存在结构复杂、适用范围有限、误差较大、检测灵敏度低的技术问题。本专利技术提供了一种电容电压转换电路。所述的一种电容电压转换电路，包括CPU单元、方波激励信号发生电路、被测电容，其特征在于：还包括同步数字检波电路、分时积分电路、低通RC滤波电路；所述CPU单元用于产生同步激励信号和逻辑控制信号，所述同步激励信号为“0”电平与“1”电平按固定周期交替的逻辑数字信号；所述方波激励信号发生电路用于以所述同步激励信号为触发信号将一基准电平转换为方波激励信号输出；所述方波激励信号为具有驱动能力的模拟信号，用以施加在被测电容上激励被测电容；所述同步数字检波电路连入被测电容的返回端，用于以同步激励信号为触发信号将被测电容的返回信号检波为积分半波信号；所述分时积分电路用于以同步激励信号为触发信号将积分半波信号分时积分，输出直流电平；所述低通RC滤波电路用于对所述直流电平进行低通滤波。进一步，所述电容电压转换电路还包括电平切换控制电路，所述电平切换控制电路用于受CPU单元输出的逻辑控制信号控制；为方波激励信号发生电路提供5V或10V基准电平。进一步，所述电容电压转换电路还包括放大跟随电路，所述放大跟随电路用于将经低通RC滤波电路后的直流电平进行放大。进一步，所述同步激励信号的频率为10.3KHz。进一步，所述电平切换控制电路包括两级运算放大电路和数字切换开关电路，所述两级运算放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器的正电源端、负电源端经限流滤波电路后分别与15V电源的正端、负端相连；所述第一运算放大器的正向输入端连接5V电源，输出端和反向输入端之间经串联的第一电阻和第一电容后相连；所述第一运算放大器的输出端同时还与第二运算放大器的正向输入端相连，所述第二运算放大器的反向输入端与其输出端相连；所述第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的输出端之间并联有第二电阻和第三电阻组成的隔直限流电路，所述第二运算放大器的输出端经第四电阻后与第一放大器的反向输入端相连；所述数字切换开关电路包括单向数字开关、第五电阻、第六电阻、第二电容、第三电容，所述单向数字开关的控制端连接CPU单元输出的逻辑控制信号，同时经第六电阻与5V电源相连；所述单向数字开关的输入端与第一运算放大器的反向输入端相连，输出端经第五电阻后接地；所述第二电容与第三电容并联在第四电阻和第五电阻之间，所述第二运算放大器的输出端产生的即为方波激励信号电路所需基准电平。如上所述的电路中：当CPU单元控制逻辑为“0”时，单向数字开关断开，第一运算放大器和第二运算放大器组成1比1的跟随器，即将第一运算放大器正向输入端的5V电平传递跟随到第二运算放大器的输出端，作为5V基准电平输出，供方波激励信号发生电路使用；当CPU单元控制逻辑为“1”时，单向数字开关闭合，第五电阻一端接地，一端连接第四电阻，当第四电阻等于第五电阻时，第一运算放大器和第二运算放大器组成2比1的放大电路，第二运算放大器的输出端输出10V的基准电平，供方波激励信号发生电路使用。即实现了为方波激励信号发生电路提供5V或10V基准电平。进一步，所述方波激励信号发生电路包括第一多路数字开关模块、第一晶体管、第二晶体管、可变电阻和第四电容；所述第一多路数字开关模块包括的第一数字开关和第二数字开关，所述第一数字开关和第二数字开关的控制端连接同步激励信号，所述第一数字开关的输入端接地，所述第二数字开关的输入端连接基准电平，所述第一数字开关与第二数字开关始终处于一开一合的状态；所述可变电阻并联在第一数字开关与第二数字开关之间。所述第一晶体管的栅极连接基准电平，源极经一电阻连接第一数字开关的输出端，所述第二晶体管的栅极接地，源极与第二数字开关经一电阻相连，所述第一晶体管为低选通CMOS，所述第二晶体管为高选通CMOS，所述第一晶体管与第二晶体管的公共端相连并经第四电容后与被测电容连接，第四电容端输出即为方波激励信号。如上所述的电路中：第二数字开关的输入为基准电平，同步激励信号控制第二数字开关周期性接通基准电平与第二晶体管的栅极，第一数字开关和第二数字开关的输出端分别交替切换连接到第一晶体管和第二晶体管的源级，选通逻辑控制第一晶体管和第二晶体管在其公共端交替输出频率信号，即在上述公共端形成方波。因电路完全通过第一晶体管、第二晶体管控制和导通，所以在时序上有一定要求：即在第一晶体管选通时，第二晶体管提前截止；第二晶体管选通时，第一晶体管提前截止。因此选择这一点由选用低选通管的第一晶体管、和选用高选通的第二晶体管组成的电路保证。同时第一晶体管和第二晶体管选择漏电小的，可以减小输出的信号在变化时的尖峰，跨接并联在切换线路之间的可变电阻不但用于使输入第一晶体管，第二晶体管的电平交替变换，而且可以控制输入电平的时序，使输入第二晶体管的高电平永远迟于第一晶体管到达，而输入给第一晶体管的低电平永远早于第二晶体管到达，保证了第一晶体管，第二晶体管的公共端输出的频率信号稳定不失真。最终实现了以同步激励信号为触发信号将一基准电平转换为方波激励信号输出。进一步，所述同步数字检波电路包括第二多路数字开关模块、第五电容、第七电阻，所述第二多路数字开关模块包括第三数字开关、第四数字开关，所述第三数字开关与第四数字开关始终处于一开一合的状态；所述第三数字开关和第四数字开关的输入端相连，并经过串联的被测电容和一限流电阻后与方波激励信号发生电路的第四电容相连；所述第三数字开关和第四数字开关的控制端均连接同步激励信号；第四数字开关的输出端接地，所述第三数字开关的输出端与第七电阻连接，且并联一接地的滤波电容；所述第五电容与第三数字开关和第四数字开关的输入端相连；所述第五本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容电压转换电路，包括CPU单元、方波激励信号发生电路、被测电容（C），其特征在于：还包括同步数字检波电路、分时积分电路、低通RC滤波电路；所述CPU单元用于产生同步激励信号和逻辑控制信号，所述同步激励信号为 “0”电平与“1”电平按固定周期交替的逻辑数字信号；所述方波激励信号发生电路用于以所述同步激励信号为触发信号将一基准电平转换为方波激励信号输出；所述方波激励信号为具有驱动能力的模拟信号，用于施加在被测电容（C）上激励被测电容（C）；所述同步数字检波电路连入被测电容（C）的返回端，用于以同步激励信号为触发信号将被测电容（C）的返回信号检波为积分半波信号；所述分时积分电路用于以同步激励信号为触发信号将积分半波信号分时积分，输出直流电平；所述低通RC滤波电路用于对所述直流电平进行低通滤波。

【技术特征摘要】
1.一种电容电压转换电路，包括CPU单元、方波激励信号发生电路、被测电容（C），其特征在于：还包括同步数字检波电路、分时积分电路、低通RC滤波电路；所述CPU单元用于产生同步激励信号和逻辑控制信号，所述同步激励信号为“0”电平与“1”电平按固定周期交替的逻辑数字信号；所述方波激励信号发生电路用于以所述同步激励信号为触发信号将一基准电平转换为方波激励信号输出；所述方波激励信号为具有驱动能力的模拟信号，用于施加在被测电容（C）上激励被测电容（C）；所述同步数字检波电路连入被测电容（C）的返回端，用于以同步激励信号为触发信号将被测电容（C）的返回信号检波为积分半波信号；所述分时积分电路用于以同步激励信号为触发信号将积分半波信号分时积分，输出直流电平；所述低通RC滤波电路用于对所述直流电平进行低通滤波。2.根据权利要求1所述的一种电容电压转换电路，其特征在于：所述电容电压转换电路还包括电平切换控制电路；所述电平切换控制电路用于受CPU单元输出的逻辑控制信号控制，为方波激励信号发生电路提供5V或10V基准电平。3.根据权利要求2所述的一种电容电压转换电路，其特征在于：所述电容电压转换电路还包括放大跟随电路，所述放大跟随电路用于将经低通RC滤波电路后的直流电平进行放大。4.根据权利要求1至3所述的任一种电容电压转换电路，其特征在于：所述同步激励信号的频率为10.3KHz。5.根据权利要求4所述的一种电容电压转换电路，其特征在于：所述电平切换控制电路包括两级运算放大电路和数字切换开关电路，所述两级运算放大电路包括第一运算放大器（U1）和第二运算放大器（U2），所述第一运算放大器（U1）和第二运算放大器（U2）的正电源端、负电源端经限流滤波电路后分别与15V电源的正端、负端相连；所述第一运算放大器（U1）的正向输入端连接5V电源，输出端和反向输入端之间经串联的第一电阻（R1）和第一电容（C1）后相连；所述第一运算放大器（U1）的输出端同时还与第二运算放大器（U2）的正向输入端相连，所述第二运算放大器（U2）的反向输入端与其输出端相连；所述第一运算放大器（U1）的输出端和第二运算放大器（U2）的输出端之间并联有第二电阻（R2）和第三电阻（R3）组成的隔直限流电路；所述第二运算放大器（U2）的输出端经第四电阻（R4）后与第一放大器的反向输入端相连；所述数字切换开关电路包括单向数字开关（S）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第二电容（C2）、第三电容（C3），所述单向数字开关（S）的控制端连接CPU单元输出的逻辑控制信号，同时经第六电阻（R6）与5V电源相连；所述单向数字开关（S）的输入端与第一运算放大器（U1）的反向输入端相连，输出端经第五电阻（R5）后接地；所述第二电容（C2）与第三电容（C3）并联在第四电阻（R4）和第五电阻（R5）之间。6.根据权利要求5所述的一种电容电压转换电路，其特征在于：所述方波激励信号发生电路包括第一多路数字开关模块、第一晶体管（Q1）、第二晶体管（Q2）、可变电阻（R）和第四电容（C4）；所述第一多路数字开关模块包括的第一数字开关（S1）和第二数字开关（S2）；所述第一数字开关（S1）和第二数字开关（S2）的控制端连接同步激励信号，所述第一数字开关（S1）的输入端接地，所述第二数字开关（S2）的输入端连接基准电平，所述第一数字开关（S1）与第二数字开关（S2）始终处于一开一合的状态；所述可变电阻（R）并联在第一数字开关（S1）与第二数字开关（S2）之间，所述第一晶体管（Q1）的栅极连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思宇，樊伟，李霞，师显强，
申请(专利权)人：四川泛华航空仪表电器有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51