調幅式電容位移傳感器開關檢波電路設計*

馮 佳，李佩玥，徐立松，尹志生，隋永新

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室，吉林 長春130033;2.中國科學院大學，北京100039)

0 引 言

隨著超精密制造與精密儀器和現代工業生產的發展，對位移測量的精度要求已經達到nm 級別。目前可以進行nm 級測量的傳感器家族分為三大類:電感傳感器、光干涉傳感器和電容傳感器。電容傳感器具有功耗低、精度高、動態性能好、穩定性高和非接觸測量等特點，深受科技工作者和工業應用者的青睞［1～4］。

電容位移傳感器nm 級測量精度實現離不開高精度電容測量電路，調幅式電容測量方法中交流激勵式和運放式比較常用，交流激勵式具有抑制雜散電容能力強、動態性能好、信噪比高和測量精度高等優點而應用廣泛。交流激勵式測量電路包括信號發生器、前級電路、調理電路、檢波電路和低通濾波器，信號發生器產生正弦波作為前級激勵，前級電路將位移變化調制到電壓幅值上，然后經檢波電路將幅值信號從調幅波解調出來。檢波電路多采用模擬乘法器實現，由于模擬乘法器檢波速度慢限制工作頻率，功耗大長時間工作時熱噪聲較大。

針對以上問題，本文提出了一種高速高精度低功耗開關檢波電路設計，并在此基礎上完成交流激勵式電容測量電路設計［5～8］。

1 電路總體框圖

電容傳感器分單極板和雙極板兩種，與單極板電容傳感器相比，雙極板電容傳感器有兩個優點:1)傳感器兩個面的平整度、光潔度可以保證;2)傳感器兩端接在測量電路中能夠避免雜散電容干擾。因本設計應用于對地位移測量，因此，采用單極板電容傳感器。電容測量電路框圖如圖1所示，整個測量系統可以分為四部分:激勵源、前置電路、調理電路、檢波電路。交流激勵式電容測量方法對激勵源幅值、頻率穩定性要求較高，本設計采用高精度DDS 芯片AD9953 實現，并在前級電路引入正反饋增大前級輸出電壓范圍和抗干擾能力。檢波電路采用開關檢波，模擬開關控制信號要求與前級輸出信號同頻同相的方波信號，實現同相比較困難，將前級輸出信號經過零比較器實現與前級輸出信號同頻同相。

圖1 系統總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 開關檢波原理

2.1 開關半波檢波

開關半波檢波原理如圖2 所示，半波檢波只保留待檢信號幅值大于零的波形，半波檢波等效于待檢信號與參考方波信號相乘，下面對其原理進行介紹。假設輸入信號為Si=Uicos ωt，則參考信號為

圖2 開關半波檢波原理圖Fig 2 Detection principle diagram of switch half-wave

對參考信號進行傅里葉展開得到

參考信號與輸入信號相乘得到

開關半波檢波輸出為直流分量和高頻分量，采用低通濾波器濾除高頻分量，即可得到直流分量

2.2 開關全波檢波

開關全波檢波將幅值大于零的半波保留，將幅值小于零的半波翻轉上去。開關全波檢波原理如圖3 所示。開關全波檢波等效于與參考方波信號相乘，下面對其原理進行介紹。假設輸入信號為Si=Uicos ωt ，則參考信號為

參考信號Sr進行傅里葉展開得到

參考信號與輸入信號相乘得到

圖3 開關全波檢波原理圖Fig 3 Detection principle diagram of switch full-wave

開關全波檢波輸出為直流分量和高頻分量，需要低通濾波器濾除高頻分量，得到直流分量

經過對半波檢波和全波檢波原理分析發現全波檢波輸出信號幅值是半波檢波的2 倍，全波檢波比半波檢波更適合檢測弱信號，因此，本設計采用全波檢波方法。

3 檢波電路設計

檢波電路采用開關全波檢波，模擬開關選擇比較重要。本設計采用高速高精度模擬開關ADG333，ADG333 具有功耗低;切換時間短，ton＜175 ns，toff＜145 ns;最大導通電阻45 Ω;導通電阻差最大為5 Ω;泄漏電流最大為5 nA;電荷注入最大為5 pC。

全波檢波電路需要兩個運放，一個作為過零比較器，產生模擬開關控制信號;另一個將前級輸出信號幅值小于零的波形翻轉上去。本設計選用TI 公司雙運放芯片THS4032，THS4032 帶寬為100 MHz，擺率為100 V/μs，噪聲為1.6 nV/Hz。選THS4032 的主要原因是擺率大，做過零比較器切換時間短。全波檢波電路設計如圖4 所示。

4 實驗與結果分析

4.1 檢波電路測試

圖4 全波檢波電路圖Fig 4 Full-wave detection circuit

采用AD9953 和3458A 八位半數字表測試檢波電路分辨率。通過改變配置AD9953 幅值寄存器(ASF)值，使輸出信號幅值發生變化，采用3458A 采集檢波電路輸出。通過測試發現全波檢波電路分辨率達0.1 mV。

4.2 分辨率測試

該系統設計的測量范圍為150 ～650 μm，經CST 仿真得到的電容變化范圍為0.146 621 ～0.632 366 pF，分辨率為30 nm，400 μm 處對應的ΔC=0.034 23 fF［9］。

分辨率測試進行三組實驗，分別在150，400，650 μm處進行30 nm 臺階實驗，觀察輸出電壓是否為方波，三組實驗結果見圖6 所示。

由圖5 可得，三組實驗結果都能實現30 nm 分辨率，主要問題是噪聲電壓導致電壓在一定范圍內波動。由上圖可以看出:隨著極板間距增大，變化30 nm 引起的電壓變化減小，與電容位移曲線相符。噪聲電壓大約0.1 mV，噪聲來源主要有PCB 布線噪聲、運放噪聲、電阻熱噪聲。

圖5 30 nm 分辨率結果圖Fig 5 Resolution result diagram of 30 nm

4.3 示值穩定性測試

該實驗在超凈間進行，溫度為(22±0.1)℃。在400 μm處進行示值穩定性實驗，采用8 位半數字表3456A，間隔2 min 測一次，測量16 次，測試結果如表1 所示。

表1 電壓測量結果Tab 1 Results of voltage measurement

由表1 可得，30 min 內示值穩定性為0.1 mV，換算成位移漂移量大概為8 nm。因此，測量系統在400 μm 時，30 min內位移漂移為8 nm。由于閉環驅動器采用壓電陶瓷來驅動平臺位移變化，壓電陶瓷存在一定的蠕變和遲滯，其驅動電源輸出電壓存在波動，這些因素都會引起位移漂移，因此，實際位移漂移小于8 nm。對其他位置做相同測試，位移時漂均小于8 nm/30 min。示值穩定性較高，滿足系統穩定性高的要求。

4.4 測量電路用于位移測量的對比實驗

將該測量電路與德國PI 公司的標準測量電路進行比對實驗，結果如表2，采用相同的電容傳感器D—E30.200 單極板電容位移傳感器。

表2 位移測量結果Tab 2 Results of displacement measurement

由測量結果可知，利用設計的電容測量系統與PI 測量電路進行對比實驗，設計系統的最大測量偏差為20 nm。

5 結 論

根據調幅式電容位移傳感器乘法器檢波速度慢和長時間工作熱噪聲大的問題，提出了一種開關檢波電路設計方案，并介紹了開關全波檢波和半波檢波原理。測試結果表明:該設計能實現0.1 mV 分辨率，該測量系統22 ℃下漂移不超過8 nm，150 ～650 μm 量程范圍內，與PI 標準測量電路最大偏差為20 nm。該測量電路滿足測量超精密位移測量要求。

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