基于保角变换的微小电容标准建模与设计

作     者：吴晓媛 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：迟宗涛

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电容传感器 微小电容检测 交流激励 锁相放大器 

摘      要：随着纳米技术与微电子行业的快速发展,元器件的小型化已是重要的发展趋势。电容作为三大基本阻抗元件之一,是电学信号传递的重要参数。实现精准便捷式亚pF及其量级以下的微小电容标准,不仅有助于实现硬件系统的小型化和高度集成化,也满足了在交流阻抗测量领域对微小电容的量值溯源和测量的需求。本课题简述微小电容标准建立的研究背景及研究意义,借助于可编程电容器中各电容单元的线性关系,提出一种利用可编程电容器中微小电容单元实现微小电容标准的方法。基于此,给出一个利用施瓦兹克里斯托佛变换求解考虑电容边缘效应影响的实际电容值的算法,借助于有限元分析软件Ansoft Maxwell辅助指导微小电容单元的设计,最终实现微小电容标准。提出微小电容标准检测系统方案设计,给出一种基于单片机STM32F429的微小电容检测系统的硬件设计原理,借助于Multisim以及Tina辅助仿真指导硬件电路搭建。本课题的具体研究工作如下:(1)介绍微小电容标准的研究背景与研究意义,阐述其物理意义及工业价值。其次,分析国际上的发展现状,提出到目前为止实现微小电容标准的难点,并给出实现微小电容标准的思路。对于微小电容标准检测方案,与交流激励式电容-电压转化电路相结合,分析电路系统中存在的误差来源,为后期的设计提供指导意见。(2)给出微小电容标准建立的物理背景和理论分析,介绍可编程熔融石英电容器的工作原理,给出一种利用可编程电容器中微小电容单元实现微小电容标准的方法。对可编程电容中的电容单元建立解析模型,给出一种计算考虑电容边缘效的电容值计算算法,并介绍其数学背景,基于对微小电容单元的理论推导与研究,利用有限元分析软件Ansoft Maxwell仿真验证其正确性,最后结合实际生产所需,对机械模型做出优化改进。(3)提出一种微小电容标准检测系统的总体设计方案,给出其整体框架和理论基础,核心电路由STM32F407+AD630+AD9833构成,分为信号发生单元、信号采集单元、信号处理单元、以及电源单元四部分,在Multisim和Tina中做电路仿真,给出减小交流激励式电容-电压转换电路中寄生电容影响的方法;根据相敏检波原理,利用AD630借助模拟乘法器和低通滤波器实现模拟信号与载波信号的相互运算,得到直流电压;依据数字信号直接合成原理,利用DDS专用芯片AD9833直接合成参考信号和载波信号,并实现信号的幅值可调功能以满足对不同量级微小电容标准的检测。(4)总结所研究的工作以及进一步的展望,对于微小电容单元而言,完成了利用保角变换得到计算值并借助于Ansoft Maxwell仿真验证,保证了pF到fF级别任意电容值输出,但对于亚fF级别及其以下的电容仍得不到精确的电容值,还有待于进一步的研究。对于微小电容标准检测系统方案电路而言,完成了对相关硬件电路的设计,对所设计微小电容检测电路进行了相关仿真与实验,分析了硬件电路中存在缺点,即电路的整体功耗比较大,导致电路元件极容易发热易影响测量精度。