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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a．能源與動力工程學院．b．自動化工程學院，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擾，并提出減小相應雜散的措施。關鍵詞電容層析成像雜散電容分布中圖分類號TP216文獻標識碼A文章編號1000-3932(2011)04-0417-03電容層析成像(ECT)技術是工業(yè)過程層析成像的一種，它是20世紀80年代在醫(yī)學CT研究基礎上形成和發(fā)
2、展起來的。由于該技術具有結構簡單、非侵入性、安全、成本低、可視化和實時成像的特點，可用于動力、石油、化工、冶金及醫(yī)藥等兩相流或多相流領域，進行流型辨識，分析相濃度，進行流量的實時測量?等。因此也是目前研究較熱門的工業(yè)過程成像技術。ECT系統(tǒng)按照結構包括電容傳感器、數據采集與信號處理單元、成像計算機3部分，其關鍵問題涉及到微弱電容檢測、數據采集速度與精度等問題，且任何部分的好壞都會對系統(tǒng)的性能產生很大的影響¨1，由于還有很多面向現場的實際問題需要解決，目前該技術還處于實驗室研究階段。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設計的高速數據采集系統(tǒng)為例"1，其電容傳感器和數據采集系統(tǒng)中存在較多的雜散電容，這些雜散電容產生的噪聲電壓隨著采集信號而進入系統(tǒng)，經放大運算、串擾等，將會使整個系統(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，為仃數量級(1伍=10。5F)，遠遠小于系統(tǒng)雜散電容的數值，雜散電容主要來自PCB板的設計工藝，電子器件引腳之間和電極引線之間的串擾，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)在設計工藝上要盡量減小雜散電容，一方面還要求設計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)電容傳感器和數據采集與信號
4、處理單元是一個復雜的電容系統(tǒng)，這些電容的分布特點對數據采集乃至圖像重構將產生重要影響。對ECT系統(tǒng)進行雜散電容分析就是為了在微小電容檢測的數據采集和傳輸過程中保證傳輸信號的準確性和完整性。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)行檢測任務時，屏蔽罩和徑向極板始終接地，每組激勵與檢測電極工作時，其他的電極也全部接地。根據ECT系統(tǒng)交流法C／V轉換電路原理(圖2)，其中C。為激勵極板與檢測極板構成的電容，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，它并不產生通過C。流向運放的電流，對輸出的影響可以忽略；C砣與運放的反相端相連，一直處于虛地狀態(tài)，它的存在也不會對輸出產生影響，因此該交收稿日期：2010-09-23基金項目：國家自然科學基金資助項目(50976018)418化工自動化及儀表第38卷圖2交流法C／V轉換電路原理圖流法C／V轉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到抑制雜散電容的目的，而是相互之間存在寄生和串擾。這種雜散電容只能在工藝上和技術上加以改進，以達到準確采集電容信號的目的?！?．
6、2ECT系統(tǒng)高速PCB的設計為了在一定時間內獲得更多的投影數據，以滿足高速流體的需要，數據采集電路應具有高速的特點，大量的理論研究和實踐都表明，高速電路必須按照高頻電路來設計H。，ECT系統(tǒng)中的FP—GA器件的晶振頻率可達到上百兆，因此PCB電路板也應該按照高頻電路的設計原則來設計。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，根據經驗，往往先采用手工布局優(yōu)化調整部分元器件的位置，再結合自動布局完成PCB的整體設計。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“先放大、特殊；后放小，次要”的原則
7、，同時，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擾。布線時采用“先手動，后自動，兩者結合”的原則，盡量采用全直線，轉折處采用45。轉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、降低損耗，保證數據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，其他走線寬度應盡可能一致。高頻
