基于CST检测技术及DFCT电路实现

为高电位时，通过R2对C2充电，D1，D2为放电二极管。当F点电位高于参考电位Us时，比较器A1的输出使双稳翻转，C1放电，C2充电。
1．3．2 原理
利用对传感器电容C1C2的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器就能得到对应的被测量变化的直流信号。图3(b)为工作时(C1>C2)电路各点电压波形。

1．3．2 检测电路特点
(1)差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性；
(2)只采用直流电源，对直流电源稳压要求较高；
(3)对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。不存在对载波波形纯度的要求。输出信号一般为100 kHz～1 MHz的矩形波。
1．4 运算放大器式电路
其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。
1．4．1 检测原理
电路如图4所示。

不难得出：


式中：u为交流电源；C为标准电容；Cx为电容传感器。
由式(10)可见输出电压与电容传感器两极板间距δ成正比关系。
1．4．2 检测电路特点
检测电路特点如下：运算放大器式电路简单；具有理论上的线性特性；运算放大器式电路采用交流稳定度高的电源，存在稳频、波形纯度的要求。
1．5 调频电路
1．5．1 调频检测(FCT)电路
如图5所示，电容传感器接在高频振荡器的LC谐振回路中。Ci为寄生电容，C1为固定电容，C0为传感器初始电容。

该电路为变形的电容三点式振荡电路。
1．5．2 FCT检测电路原理
测量中电容发生变化时，就使振荡频率产生相应变化。将这种变化的频率放大，鉴频后就得到输出信号。
振荡频率(C2>>C，C=C0+Ci+C1)：

1．5．3 FCT检测电路特点
(1)灵敏度高，可测至0．01μm级位移变化量。
(2)频率输出易于得到数字输出，而不需用A／D转换器；
(3)能获得高电平(伏特级)直流信号，抗干扰能力强。
(4)可以发送、接收实现遥测遥控。
(5)电路复杂，须采取稳频措施；电路输出非线性较大。

2 差动对称式变频检测电路(DFCT)
2．1 CST检测电路分析的结论
前述CST检测电路的分析可以看出：各种检测电路有各自的特点；各种检测电路也有各自的条件要求。当不满足这些条件要求时，检测误差增大，甚至不能检测；这些检测电路中，检测精度最高的为FCT电路；FCT电路有许多突出的优点，但条件要求苛刻，对频率的稳定性要求非常高。电路也很复杂。
2．2 影响FCT的因素分析
2．2．1 温度变化的影响
FCT电路的振荡回路中所有的元器件都受到温度的影响，温度使所有的物质服从于“热胀冷缩(或冷胀热缩)的规律，当温度升高时，电阻、电容、电感等电路的基本元器件的线度就要发生变化，使其基本特性变化，比如电容，当温度T升高，则：
T↑→S↑→d↓→C↑
电路中的非线性元器件的各种参数也会发生很大的变化，这些变化都会影响振荡频率的稳定性。
2．2．2 电源波动的影响
首先电源波动会使非线性元件的工作点变化，同时也会影响非线性元件的输入电容产生微小的变化，这是因为非线性元件大多具有PN结，电源波动会影响PN结的势垒电容微小的变化。这都使电路的分布电容Ci发生变化，从而使振荡频率变化。其次电源波动会使RC，LC的充放电时问常数变化，直接影响振荡频率。
2．2．3 时间的影响
随着时间的延长，构成基本元器件的金属会慢慢被腐蚀变薄，介质会逐渐老化，这些都会使基本元器件的特性变化，如电容量、电阻值、电感量、晶体管的放大倍数、输入电阻等发生微小变化。显然都会影响振荡频率。另外外界环境如电磁干扰、压强变化等等都应考虑。
2．2．4 影响的共性分析
对同一个位置、同一个瞬时、同样的元器件，上述的各种影响应是相同的。即各种影响量的大小和正负符号是相同的，都属于共模信号，若设上述的各种影响对振荡频率产生一个变化量△f。利用物理实验中的消去法原理，即差动电路的设计方法则可以解决变频检测技术中的最大难题，即频率高度稳定的问题。
2．3 DFCT检测电路方案
2．3．1 DFCT检测电路的组成
由对称的两套LC振荡电路构成，变频后的差频送入低通滤波器，只选出其差频信号经波形变换和整形后输出。电路方框图如图6所示。

振荡电路A内的选频回路接有电容Cs，输出频率为fs；振荡电路B内的选频回路接有电容传感器Cx，输出频率为fx；由于Cs大于Cx的最大值，所以fx大于fs。经混频电路差拍出频率f=fx-fs。低通滤波器滤除fx，fs及两者的和频和高次谐波，低通滤波器的转折频率为混频输出频率的最大值fxmax，如图7所示。

2．3．2 DFCT检测电路工作原理
图8是依据DFCT检测电路组成设计出的电路原理图。T1和T2构成对称的两套LC振荡电路，即LC和LC’，LC和LC’的元器件基本对称。选择LC振荡电路是基于其简单，谐波多，频率稳定性差；便于比较。注意振荡电路LC’内的电容传感器Cx和振荡电路LC内的C2的制作采用完全一样的材料与尺寸。电容传感器的容量变化范围为Cx=1～15 pF，设分布电容C0=2 pF，L=200μH，LC谐振回路总的电容变化范围C=11～25 pF。频率变化范围约为2．25～3．40 MHz。LC’的谐振回路总的电容C’=25 pF，LC电路输出频率约为2．25 MHz。