韦仁攀

桂林市晶瑞传感技术有限公司

关于鉴相型容栅传感器机理及测量系统构建的探究

韦仁攀

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本文章将深入对鉴相型容栅传感器当中的机理进行分析，并且对容栅传感器测量系统当中的芯片，数据的采集，鉴相电路分析从而最终来构建测量系统。

鉴相；容栅传感器；测量

前言

容栅位移传感器作为容栅数显卡尺的核心部件，以其良好的性能与优惠的价格，在测量领域当中有着至关重要的位置。容栅传感器测量系统其主要是分为两种，一种是鉴相型与鉴幅型。

1 、鉴相型容传感器芯片结构

容栅传感器测量系统主要涵盖了容栅传感器与信号处理系统以及液晶驱动系统等内容。容栅传感器测量系统当前主要是运用专用的集成芯片电路。其芯片可以很好的进行测量与数据的处理以及数据的显示作用。这样将使得容栅数显系统的结构也更加的简单，其功能也会更加完善与耗能更小，从而易于便携使用。本文当中以鉴相型容栅为例，容栅工作的时候，把震荡器产生的基本时钟信号在施加发射极上可以作为激励信号，其信号是以电容耦合的方式在接收极上形成相关的调制信号，输入信号处理系统上进行相关的处理。容栅传感器的激励是利用电容变化来获得位移变化的信息，由于容栅电容量较小，只有几十pF甚至几pF，即是电路检测的是电容的细小的变化，这样将容易使得其受到外部因素的影响，另外容栅的阻抗性很高，带负载的能力也相对较差，因此在设计容栅数显卡专用芯片的时候要把影响其效果的各种因素要充分考虑进去。

容栅式数显卡尺芯片的功能与原理就是芯片产生的驱动信号被传送到容栅传感器当中，传感器将这一信号转换成调制信号，再由芯片对其进行有效的解调与放大以及鉴相等相关数据的处理工作，从而转变成为数字量，再经过二进制的运算与公英制运算，最终将数据输送到LCD进行显示。要根据以上对系统芯片的全面阐述，其芯片的电路按功能一颗分成以下几个模块：时钟发生器、基准分频器、激励信号编码器、电源变换器、数据采集和解调电路、相位检测电路、运算器、控制器等。

该芯片是一个模数混合专用集成电路，用于低功耗便携式测量系统，因此，在设计时应考虑以下几方面的因素：第一，由于该系统是便携式工具，设计时要采用低压低功耗技术，因此系统须可由小型低压电池类电源供电；第二，由于容栅传感器上的信号十分微弱，数据采集时，既要保证足够的增益又要考虑采集精度；第三，同一块芯片上集成了数字电路和模拟电路，数字电路和模拟电路的相互干扰问题是主要的干扰因素；第四，要驱动LCD 液晶屏，电压差必须在2V 以上，需要对芯片上电源部分进行分组设计；第五，该芯片所集成的是一个处理位移量的系统，要考虑位移速度与芯片处理速度等问题。

2 、数据采集与解调电路

从对容栅传感器工作机理的分析可知，容栅传感器的输入信号为8 路幅值相等相邻位相差的激励信号，输入信号经容栅传感器反射极和接收极两次电容耦合后输出，由于输出信号十分微弱，因此可采用了四个特殊放大器轮流工作，实现对传感器输出信号的采样、维持、放大及解调。将经传感器调制后的信号送入解调器进行解调处理，解调器受开关矩阵的控制，开关矩阵由四个运算放大器组成，其周期为四倍的时钟周期。解调器在电压开关的控制下，将接收电极上的输出信号存于电容器两端，并进行迭加，使输出电压的幅值增大近一倍，同时还将输出电压的极性反映出来。解调后电压的周期与激励电压的周期一致。由于解调后的信号含有高频分量，还需进行滤波处理，使输出电压曲线变得光滑，以提高相位的分辨率。滤波后的电压为正弦波形式。再通过整形使输出电压变成方波形式，从而易于相位控制。

3 、测量系统对鉴相电路的功能要求

鉴相器也是相位比较器，是对信号进行处理的重要部件，鉴相器的主要功能是检测输入信号与基准信号间的相位的偏差，利用相位偏差来产生控制信号。为了更好取得容栅传感器的输出信号和输入信号间的相位偏差，也可以采用鉴相的原理。把传感器的输出信号经解调之后之后送入鉴相器，与此同时也把时钟分频信号与传感器的输入信号一同送至鉴相器，构成相对相位基准。在初始状态的时候，传感器输出信号和相对相位基准信号有着同相位，鉴相器的输出为零，计数器保持原有的数值不变。当传感器移动一定的距离之后，输出信号的相位超前或者滞后相对相位基准，此时鉴相器有输出，计数器便相应的做加法或减法运算，然后将其值锁存在移位寄存器中。相位差信号中含有一定数量的脉冲当量， 由计数器进行计数。计数器的计数定时由振荡器输出信号控制，计数器的中止由鉴相电路的信号控制。运算单元将计数器的输出变换成绝对值，通过显示驱动器， 测量结果在液晶上显示。

4 、电荷泵电路的引入

随着工艺水平的不断提高，容栅传感器件尺寸的不断减小，所以低功耗的要求越来越来高，对低压电源电压的要求也越高。尤其是对于这种便携式系统，为了降低成本，节省能源，延长电池寿命，低功耗是至关重要的，由此一个主要的设计趋势就是降低电源电压。在传统的数字CMOS ICS 中，电源电压的降低直接导致速度变慢，噪声容限变小。而在模拟开关控制的应用中，低于2V将不能正常工作。那么，要让整个系统能够正常工作，系统中的不同成份必须工作在不同的电源电压下。要解决这个问题，方法就是利用电荷泵电路来泵出电压以满足不同的要求。

电荷泵电路是一种通过电容上电荷积累效应来产生高于电源电压或负电压的电路。通常使用电池作为电源的显示器电源都存在致命的缺陷：电池一开始使用，电压就递减，影响使用效果。在电路中，使用一个升压型电荷泵，就能把递减的电压在一段较短的时间内稳定至工作电压。如果需要负电压供电，就需要降压型电荷泵。在普遍情况之下电荷泵可以实现90%的峰值效率，电荷泵外围只需要很少数的几个电容数，并且不需要公路电感器与续流二级管以及MOSFET。可以减少自身的功耗，降低尺寸与成本。假如设计鉴相容栅传感器测量系统需要兼顾效率与占用的PCB面积的大小的时候，那么就可以考虑选用电荷泵。因此，在设计与构建鉴相型容栅传感器测量系统的时候，要充分考虑好数据的采集和调制、鉴相、电荷泵电源模块的功能与要求。

[1] 张银芳。容栅位移传感器的工作原理及其特点.航空精密制造技术[J].2005 年第4 期。

[2] 金宁，汪伟，张增耀等。高精度数字检相电路设计[J].中国计量学院学报。2002，V13(1)：60-63