19. Ёмкостная дифференциальная и мостовая измерительная схема: особенности питания и обратной связи.

Ёмкостная дифференциальная и мостовая измерительная схемы

Эти схемы используются для преобразования изменения ёмкости датчиков (например, в ёмкостных акселерометрах) в измеряемый электрический сигнал. Они имеют свои особенности в плане питания, обработки сигнала и применения обратной связи. Рассмотрим их подробнее.

1. Дифференциальная ёмкостная схема

Принцип работы Дифференциальная схема включает два ёмкостных элемента (обычно два подвижных электрода или пары электродов), чьи ёмкости изменяются противоположно друг другу при воздействии физической величины (например, ускорения).

• Если одна ёмкость увеличивается, другая уменьшается.

• Это позволяет компенсировать общий дрейф или шум, например, из-за температурных изменений.

Особенности питания

• Симметричное питание: часто используется симметричное питание для создания равных условий на входе схемы.

• Нужен источник стабильного напряжения для предотвращения дополнительных шумов и дрейфа.

Обратная связь

• Может быть реализована в виде замкнутого контура для подавления нелинейностей и компенсации смещений.

• Используется для стабилизации работы датчика, улучшения линейности сигнала и уменьшения помех.

Преимущества

• Высокая точность измерений.

• Устойчивость к паразитным воздействиям (например, электромагнитным шумам).

• Возможность работы с малыми изменениями ёмкости.

Недостатки

• Более сложная схемотехника по сравнению с одноканальными схемами.

• Требует точного согласования элементов для достижения максимальной точности.

2. Мостовая ёмкостная схема

Принцип работы Мостовая схема представляет собой мост Вина или аналогичную структуру с четырьмя ветвями, где два плеча – ёмкостные датчики (C1 и C2), а два других – постоянные или изменяемые резисторы или ёмкости.

• При изменении ёмкостей C1 и C2, возникает дисбаланс моста, который приводит к появлению выходного сигнала пропорционального измеряемому параметру.

Особенности питания

• Требует стабильного переменного напряжения (обычно синусоидального или прямоугольного).

• Частота питающего сигнала должна быть оптимальной, чтобы минимизировать паразитные ёмкости и шум.

Обратная связь

• Может быть использована для автоматического балансирования моста.

• В некоторых схемах используется фазовая обратная связь для улучшения чувствительности.

Преимущества

• Устойчивость к внешним помехам благодаря балансной конструкции.

• Простота анализа сигнала (на выходе обычно формируется разностный сигнал).

• Позволяет эффективно работать в системах с малыми изменениями ёмкости.

Недостатки

• Чувствительность к паразитным ёмкостям, особенно на высоких частотах.

• Требуется сложный источник питания и согласование частоты сигнала.

Сравнение

Характеристика	Дифференциальная схема	Мостовая схема
Принцип работы	Сравнение изменения двух ёмкостей.	Баланс моста, связанный с изменением ёмкости.
Тип питания	Симметричное (иногда постоянное).	Переменное напряжение (синус или прямоугольное).
Устойчивость к шумам	Высокая, за счёт дифференциального принципа.	Высокая, благодаря балансировке.
Сложность схемы	Умеренная.	Сложнее из-за необходимости генерировать переменный сигнал.
Применение обратной связи	Для компенсации смещения и улучшения линейности.	Для автоматического балансирования.

Вывод

• Дифференциальная схема лучше подходит для высокоточных измерений, где важна компенсация помех и температурных дрейфов.

• Мостовая схема используется, когда требуется устойчивость к шумам и высокая чувствительность, особенно при работе с малыми изменениями ёмкости. Выбор схемы зависит от конкретных требований, таких как точность, стабильность и сложность реализации.