Емкостные датчики используются для измерения широкого спектра физических величин, таких как положение, ускорение, давление и уровень жидкости. Изменения емкости часто бывают намного меньше, чем значения паразитных емкостей, особенно при удаленном расположении датчика. Мне нужно было провести измерения уровня криогенной жидкости с помощью детектора емкостью 50 пФ, подключенного к кабелю с непостоянной емкостью в несколько сотен пикофарад, при полной шкале всего 2 пФ. Для этого требовалась схема с высокой стабильностью, чувствительностью и хорошим подавлением шумов, но нечувствительная к паразитным емкостям, обусловленным кабелями и экранами. Мне также хотелось, чтобы устройство работало от батареи и имело аналоговый выход для удобства подключения к другим приборам. Два традиционных типа схем имеют недостатки: интеграторы чувствительны к шумам на компараторе, а преобразователи напряжение-частота обычно измеряют не только емкость датчика, но и паразитную емкость. Представленный здесь емкостной мост измеряет небольшие изменения емкости преобразователя, и при этом подавляет шумы и емкость кабеля.
Мост, показанный на Рисунке 1, сделан на основе микросхемы управления переключаемыми конденсаторами LTC1043. Схема сравнивает неизвестную емкость конденсатора CX с емкостью эталонного конденсатора CREF. Микросхема LTC1043, частота переключения которой с помощью конденсатора C1 установлена равной 500 Гц, подает прямоугольные импульсы амплитудой VREF в узел A и противофазные прямоугольные импульсы амплитудой VOUT в узел B. Когда мост сбалансирован, переменное напряжение в узле C равно нулю, и выходное напряжение
Баланс достигается за счет интегрирования тока из узла C с помощью операционного усилителя (LT1413) и третьего коммутатора микросхемы LTC1043, выполняющего функцию синхронного детектирования. При CREF = 500 пФ и VREF = 2.5 В эта схема имеет коэффициент усиления 5 мВ/пФ, и при измерении с помощью цифрового мультиметра разрешение достигает 10 фФ (фемтофарад), обеспечивая динамический диапазон 100 дБ. Она также подавляет паразитные емкости (показанные на Рисунке 1 серым цветом) на 100 дБ. Если это подавление не важно, частота переключения f может быть увеличена для расширения полосы пропускания схемы, которая равна
Емкость COUT должна быть больше, чем CREF.
 |
|
| Рисунок 1. | Простой, высокоэффективный емкостный мост. |
Схема работает от источника питания 5 В и потребляет 800 мкА. Если емкости в узлах A и C не превышают 500 пФ, вместо LT1413 можно использовать сдвоенный микромощный операционный усилитель LT1078, снизив ток потребления всего до 160 мкА.
 |
|
| Рисунок 2. | Мост с повышенной чувствительностью и улучшенными шумовыми характеристиками. |
Если относительное изменение емкости невелико, для получения более высокого разрешения схему можно модифицировать так, как показано на Рисунке 2. Операционный усилитель с полевыми транзисторами на входах (LT1462) усиливает сигнал перед демодуляцией для улучшения шумовых характеристик, а выход интегратора ослабляется делителем R1 и R2 для повышения чувствительности схемы. Если ΔCX << CX и CREF ≈ CX, то
При CREF = 50 пФ схема имеет усиление 5 В/пФ и разрешение 2 фФ. Потребляемый ток составляет 1 мА. Синхронное детектирование делает эту схему нечувствительной к внешним источникам шума, и в этом отношении экранирование не имеет большого значения. Однако для достижения высокого разрешения и стабильности необходимо позаботиться об экранировании измеряемых конденсаторов. Я использовал эту схему в упомянутом выше датчике уровня жидкости, поставив параллельно CREF небольшой подстроечный конденсатор для регулировки смещения и подобрав R2 для нужного усиления.
Мостовые схемы особенно подходят для дифференциальных измерений. Если CX и CREF заменить двумя чувствительными конденсаторами, эти схемы измеряют изменения дифференциальной емкости, но игнорируют синфазные изменения.
Коэффициент подавления синфазного сигнала схемы на Рисунке 2 превышает 70 дБ. Однако в этом случае выходная характеристика будет линейной только при небольших относительных изменениях емкости.
Купить LT1004 на РадиоЛоцман.Цены
