鉴相型容栅传感器机理与测量系统构建

郭华华

（贵州理工学院电气工程学院，贵州贵阳，550001）

鉴相型容栅传感器机理与测量系统构建

郭华华

（贵州理工学院电气工程学院，贵州贵阳，550001）

本文分析鉴相型容栅传感器的机理，并对容栅传感器测量系统的芯片，数据采集，鉴相电路分析从而构建测量系统。

鉴相；容栅传感器；测量

容栅位移传感器为核心容栅数显卡以其优异的性能和低廉的价格，在测量领域中占据了十分重要的位置。容栅传感器测量系统主要分两种：鉴相型和鉴幅型。

1　鉴相型容传感器芯片结构

容栅传感器测量系统包括容栅传感器、信号处理系统、液晶显示器。容栅传感器测量系统目前主要利用专用的集成芯片电路。芯片可以完成测量、数据处理和数据显示。这样使容栅数显系统的结构更为简单，功能更完善、耗能更低，易于便携使用。以鉴相型容栅为例，容栅工作时，将振荡器产生的基本时钟信号在施加发射极上作为激励信号，该信号以电容耦合的方式在接收极上形成调制信号，输入信号处理系统进行处理。容栅传感器的激励是利用电容变化获取位移变化的信息，但是容栅电容量很小，只有几十pF 甚至几pF，即电路检测的是电容的微小变化，使它极易受外界干扰，此外容栅的阻抗很高，带负载能力差，所以在设计容栅数显卡专用芯片时必须将这些因素考虑在内。

容栅式数显卡芯片的功能和机理是：芯片产生驱动的信号被送到容栅传感器，传感器送回调制的信号，经过芯片对其进行解调、放大、相位比较等一些列的数据处理，从而转变成数字量，再经公英制运算和二进制运算，最后将数据送到LCD进行显示。其内部结构设计如图1所示。根据以上对系统芯片功能的描述，该芯片的电路按功能可分为以下几个模块：时钟发生器、基准分频器、激励信号编码器、电源变换器、数据采集与解调电路、相位检测电路（鉴相器）、运算器、控制器、寄存器、LCD显示驱动、串行接口等。

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，因此系统由电源供电；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，需要设计芯片上电源；第五，具有自动体眠工作模式，即设备被停止使用大于一定时间，将自动进入休眠模式，从而可以起到降低功耗，延长电池寿命的作用。第六，还具有按键清零模式，可以避免传统游标卡尺人为对准零刻度线时所产生的误差。第六，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。

图1　芯片系统结构图

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，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

鉴相器即相位比较器，是处理信号的关键部件，其功能主要是检测输入信号和基准信号之间的相位偏差，利用相位偏差来产生控制信号。为了获得容栅传感器的输出信号与输入信号之间的相位偏差，可以采用鉴相原理。将传感器的输出信号经解调后送入鉴相器，同时也将时钟分频信号即传感器的输入信号送到鉴相器，构成相对相位基准。初始状态时，传感器输出信号与相对相位基准信号具有同相位，鉴相器的输出为零，计数器保持原来的值不变。当传感器移动一定距离后，输出信号的相位超前或滞后相对相位基准，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，计数器的中止由来自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。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，电荷泵外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。可以降低自身功耗，减少尺寸和成本。如果设计鉴相容栅传感器测量系统时需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时，可考虑选用电荷泵。

所以，在设计和构建鉴相型容栅传感器测量系统时，应该充分考虑数据的采集与调制、鉴相、电荷泵电源模块的功能和要求。

［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

Construction of the mechanism and measurement system of phase discrimination capacitive grating sensor

Guo Huahua
（Guizhou Institute of Technology Elechrical Engeneering College，550001）

In this paper，the principle of phase discrimination capacitive sensor is analyzed，and the measurement system of capacitive sensor measurement system is analyzed.

Phase discrimination；capacitive sensor；measurement