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1開關檢波原理

1．1開關半波檢波開關半波檢波原理如圖2所示，半波檢波只保留待檢信號幅值大于零的波形，半波檢波等效于待檢信號與參考方波信號相乘，下面對其原理進行介紹。開關半波檢波輸出為直流分量和高頻分量，采用低通濾波器濾除高頻分量，即可得到直流分量。

1．2開關全波檢波開關全波檢波將幅值大于零的半波保留，將幅值小于零的半波翻轉上去。開關全波檢波原理如圖3所示。開關全波檢波等效于與參考方波信號相乘，下面對其原理進行介紹。開關全波檢波輸出為直流分量和高頻分量，需要低通濾波器濾除高頻分量，得到直流分量。經過對半波檢波和全波檢波原理分析發現全波檢波輸出信號幅值是半波檢波的2倍，全波檢波比半波檢波更適合檢測弱信號，因此，本設計采用全波檢波方法。

2檢波電路設計

檢波電路采用開關全波檢波，模擬開關選擇比較重要。本設計采用高速高精度模擬開關ADG333，ADG333具有功耗低;切換時間短，ton＜175ns，toff＜145ns;最大導通電阻45Ω;導通電阻差最大為5Ω;泄漏電流最大為5nA;電荷注入最大為5pC。全波檢波電路需要兩個運放，一個作為過零比較器，產生模擬開關控制信號;另一個將前級輸出信號幅值小于零的波形翻轉上去。本設計選用TI公司雙運放芯片THS4032，THS4032帶寬為100MHz，擺率為100V/μs，噪聲為1．6nV/Hz。選THS4032的主要原因是擺率大，做過零比較器切換時間短。全波檢波電路設計如圖4所示。

3實驗與結果分析

3．1檢波電路測試采用AD9953和3458A八位半數字表測試檢波電路分辨率。通過改變配置AD9953幅值寄存器(F)值，使輸出信號幅值發生變化，采用3458A采集檢波電路輸出。通過測試發現全波檢波電路分辨率達0．1mV。

3．2分辨率測試該系統設計的測量范圍為150～650μm，經CST仿真得到的電容變化范圍為0．146621～0．632366pF，分辨率為30nm，400μm處對應的ΔC=0．03423fF［9］。分辨率測試進行三組實驗，分別在150，400，650μm處進行30nm臺階實驗，觀察輸出電壓是否為方波，三組實驗結果見圖6所示。由圖5可得，三組實驗結果都能實現30nm分辨率，主要問題是噪聲電壓導致電壓在一定范圍內波動。由上圖可以看出:隨著極板間距增大，變化30nm引起的電壓變化減小，與電容位移曲線相符。噪聲電壓大約0．1mV，噪聲來源主要有PCB布線噪聲、運放噪聲、電阻熱噪聲。

3．3示值穩定性測試該實驗在超凈間進行，溫度為(22±0．1)℃。在400μm處進行示值穩定性實驗，采用8位半數字表3456A，間隔2min測一次，測量16次，測試結果如表1所示。由表1可得，30min內示值穩定性為0．1mV，換算成位移漂移量大概為8nm。因此，測量系統在400μm時，30min內位移漂移為8nm。由于閉環驅動器采用壓電陶瓷來驅動平臺位移變化，壓電陶瓷存在一定的蠕變和遲滯，其驅動電源輸出電壓存在波動，這些因素都會引起位移漂移，因此，實際位移漂移小于8nm。對其他位置做相同測試，位移時漂均小于8nm/30min。示值穩定性較高，滿足系統穩定性高的要求。

3．4測量電路用于位移測量的對比實驗將該測量電路與德國PI公司的標準測量電路進行比對實驗，結果如表2，采用相同的電容傳感器D—E30．200單極板電容位移傳感器。由測量結果可知，利用設計的電容測量系統與PI測量電路進行對比實驗，設計系統的最大測量偏差為20nm。

4結論

根據調幅式電容位移傳感器乘法器檢波速度慢和長時間工作熱噪聲大的問題，提出了一種開關檢波電路設計方案，并介紹了開關全波檢波和半波檢波原理。測試結果表明:該設計能實現0．1mV分辨率，該測量系統22℃下漂移不超過8nm，150～650μm量程范圍內，與PI標準測量電路最大偏差為20nm。該測量電路滿足測量超精密位移測量要求。

作者：馮佳李佩玥徐立松尹志生隋永新單位：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室中國科學院大學