ECT系統(tǒng)雜散電容分布研究.pdf

《ECT系統(tǒng)雜散電容分布研究.pdf》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第4期周云龍等．ECT系統(tǒng)雜散電容分布研究417ECT系統(tǒng)雜散電容分布研究周云龍。高云鵬“衣得武“(東北電力大學(xué)a．能源與動力工程學(xué)院．b．自動化工程學(xué)院，吉林吉林132012)摘要對基于FPGA的ECT系統(tǒng)中存在的雜散電容進(jìn)行分析和研究，其中包括電容傳感器雜散電容、高速PCB的工藝雜散和寄生電容、集成電路芯片引腳間與電極引線間的串?dāng)_，并提出減小相應(yīng)雜散的措施。關(guān)鍵詞電容層析成像雜散電容分布中圖分類號TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1000-3932(2011)04-0417-03電容層析成像(ECT)技術(shù)是工業(yè)過程層析成像的一種，它是20世紀(jì)80年代在醫(yī)學(xué)CT研究基礎(chǔ)上形成和發(fā)

2、展起來的。由于該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、非侵入性、安全、成本低、可視化和實(shí)時(shí)成像的特點(diǎn)，可用于動力、石油、化工、冶金及醫(yī)藥等兩相流或多相流領(lǐng)域，進(jìn)行流型辨識，分析相濃度，進(jìn)行流量的實(shí)時(shí)測量?等。因此也是目前研究較熱門的工業(yè)過程成像技術(shù)。ECT系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)包括電容傳感器、數(shù)據(jù)采集與信號處理單元、成像計(jì)算機(jī)3部分，其關(guān)鍵問題涉及到微弱電容檢測、數(shù)據(jù)采集速度與精度等問題，且任何部分的好壞都會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響¨1，由于還有很多面向現(xiàn)場的實(shí)際問題需要解決，目前該技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。1ECT系統(tǒng)的雜散電容分布散雜電容又稱分布電容，在高頻電路及微小電容檢測系統(tǒng)中，其影響不可忽略，筆

3、者以FPGA設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例"1，其電容傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在較多的雜散電容，這些雜散電容產(chǎn)生的噪聲電壓隨著采集信號而進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)放大運(yùn)算、串?dāng)_等，將會使整個(gè)系統(tǒng)噪聲變大、頻響降低、淹沒有用電容信號、工作不穩(wěn)定等。ECT極板間微小電容的有效值很小，為仃數(shù)量級(1伍=10。5F)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)雜散電容的數(shù)值，雜散電容主要來自PCB板的設(shè)計(jì)工藝，電子器件引腳之間和電極引線之間的串?dāng)_，檢測電極與屏蔽層之間還存在電容。這一方面要求ECT系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工藝上要盡量減小雜散電容，一方面還要求設(shè)計(jì)的電路要有抑制雜散電容的能力。2ECT系統(tǒng)電容研究ECT系統(tǒng)電容傳感器和數(shù)據(jù)采集與信號

4、處理單元是一個(gè)復(fù)雜的電容系統(tǒng)，這些電容的分布特點(diǎn)對數(shù)據(jù)采集乃至圖像重構(gòu)將產(chǎn)生重要影響。對ECT系統(tǒng)進(jìn)行雜散電容分析就是為了在微小電容檢測的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中保證傳輸信號的準(zhǔn)確性和完整性。2．1ECT電容傳感器的雜散電容電容傳感器存在較多的雜散電容，其分布如圖1所示。其中包括檢測極板與屏蔽罩和徑向電極之間、檢測極板與非檢測極板之間的雜散電容。圖1·電容傳感器雜散電容分布圖ECT傳感器在執(zhí)行檢測任務(wù)時(shí)，屏蔽罩和徑向極板始終接地，每組激勵與檢測電極工作時(shí)，其他的電極也全部接地。根據(jù)ECT系統(tǒng)交流法C／V轉(zhuǎn)換電路原理(圖2)，其中C。為激勵極板與檢測極板構(gòu)成的電容，C。，和C。：即為

5、上述的雜散電容，K(f)為高頻正弦激勵信號。該電路中，c。與正弦激勵信號源并聯(lián)，它并不產(chǎn)生通過C。流向運(yùn)放的電流，對輸出的影響可以忽略；C砣與運(yùn)放的反相端相連，一直處于虛地狀態(tài)，它的存在也不會對輸出產(chǎn)生影響，因此該交收稿日期：2010-09-23基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50976018)418化工自動化及儀表第38卷圖2交流法C／V轉(zhuǎn)換電路原理圖流法C／V轉(zhuǎn)換電路具有抑制上述雜散電容的能力。但在ECT系統(tǒng)中很多雜散電路并不能通過接地方式而達(dá)到抑制雜散電容的目的，而是相互之間存在寄生和串?dāng)_。這種雜散電容只能在工藝上和技術(shù)上加以改進(jìn)，以達(dá)到準(zhǔn)確采集電容信號的目的?！?．

6、2ECT系統(tǒng)高速PCB的設(shè)計(jì)為了在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的投影數(shù)據(jù)，以滿足高速流體的需要，數(shù)據(jù)采集電路應(yīng)具有高速的特點(diǎn)，大量的理論研究和實(shí)踐都表明，高速電路必須按照高頻電路來設(shè)計(jì)H。，ECT系統(tǒng)中的FP—GA器件的晶振頻率可達(dá)到上百兆，因此PCB電路板也應(yīng)該按照高頻電路的設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)。ProtelDXP2004雖然具有自動布線的功能，但并不能完全滿足高頻電路工作的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，往往先采用手工布局優(yōu)化調(diào)整部分元器件的位置，再結(jié)合自動布局完成PCB的整體設(shè)計(jì)。布局的合理與否直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、EMC、可靠性、信號的完整性等。一般放置器件要根據(jù)“先放大、特殊；后放小，次要”的原則

7、，同時(shí)，還要兼顧布線方面的要求，高頻元器件的位置盡量緊湊，信號線的布線才能盡可能短，從而降低信號線的雜散電容和串?dāng)_。布線時(shí)采用“先手動，后自動，兩者結(jié)合”的原則，盡量采用全直線，轉(zhuǎn)折處采用45。轉(zhuǎn)角或者圓弧曲線來完成，以減小高頻電路尖端對外發(fā)射和相互間的雜散電容耦合；信號線布線盡可能短，以減少分布參數(shù)、降低損耗，保證數(shù)據(jù)采集電路信號的完整性，同一層、層與層之間布線盡量相互垂直、斜交或彎曲，避免平行，可以減小相互干擾和寄生電容耦合。另外，同一層面上除特殊的布線外，其他走線寬度應(yīng)盡可能一致。高頻