gaizhongdianyaceliangfangfawufaceliangkongzhongdianyadebianhua，jishiceliangwutibiaomiandianya，zhezhongjiechuceliangfangshiyeyouxuduoquedian。liru
，jiechuceliangxindianxinhaoshi，dianjixuyaoliyongdaodiangaoyupifuzhijiejiechu，rongyiyinqipifuguomin，zaochengpifubushi；接jie觸chu測ce量liang電dian路lu時shi延yan特te性xing時shi，由you於yu測ce量liang電dian路lu的de接jie人ren，改gai變bian了le原yuan有you電dian路lu的de傳chuan輸shu特te性xing，從cong而er改gai變bian了le時shi延yan，使shi測ce量liang不bu準zhun確que。接jie觸chu測ce量liang物wu體ti表biao麵mian的de電dian壓ya不bu僅jin操cao作zuo麻ma煩fan而er且qie有you一yi定ding的de危wei險xian性xing。為wei了le克ke服fu接jie觸chu電dian壓ya測ce量liang的de這zhe些xie缺que點dian，滿man足zu對dui物wu體ti表biao麵mian電dian壓ya非fei接jie觸chu測ce量liang的de需xu要yao

，文wen中zhong設she計ji了le一yi種zhong新xin型xing便bian攜xie式shi電dian壓ya檢jian測ce係xi統tong。該gai係xi統tong基ji於yu電dian容rong耦ou合he原yuan理li

，前qian端duan前qian置zhi電dian路lu通tong過guo運yun用yong保bao護hu、自舉、youyuanpingbidengfankuijishu
，youxiaoditigaoleqishuruzukang，congershigaixitongduiwutibiaomiandianyaceliangshixiangdangyuyigelixiangdedianyabiao
，buxuyaoyuwutibiaomianzhijiedianqijiechu

，liyongweiyidianliujikewanchengdianyadeyouxiaoceliang。

1 非接觸電壓測量原理

feijiechudianyaceliangdeyuanlileisiyuciliyiceliangcichang
，buxuyaozhijiedianqilianjie，tongguodianrongouhe，liyongweiyidianliulaiceliangwutibiaomianhuoziyoukongjiandedianya。jiang傳感器電極放在電場中，感應電極與信號源之間將形成耦合電容，通過耦合電容信號源經過測量係統與地之間將構成一個分壓電路，如圖1所示。


設信號源的電壓為Vs由分壓公式可得，在運放輸入端的電壓可表示為： 如果傳感器前置放大電路的放大倍數為Av，輸入電阻和輸入電容分別為Rin和Cin則傳感器的輸出可表示為： 由式(2)kezhi，dangouhezukangyuxitongshuruzukangxiangbikehulvebujishi
，xitongxiangdangyuyigejuyoulixiangtexingdedianyaji，keyouxiaoceliangdianyaxinhao。yinci，weiletigaoxitongdelingmindu
，zaixitongshejiguochengzhong，yinggaicaiyongfankuidengjishutigaoxitongqianduanchuanganqideshurudianzu，jiangdishurudianrong。tongguoceliangkongzhongliangdiandianyadedaxiao
，genjudianyayudianchangdeguanxi
，keyituidaochukongzhongdianchangdeqingkuang。

2 係統設計

係統采用低功耗的MSP430F5529danpianjizuoweikongzhiqi，tongguomingandianjijiangxinhaoyiweiyidianliudexingshicaijidaoxitong
，ranhoujinruqianzhifangdadianlu，jingguofangdachulihoushuchugeimoshuzhuanhuandianlu，moshudianlujiangzhuanhuanhoudexinhaotongguolanyawuxianchuanshugeishangweijijinxingxianshi。yinweixitongshuruzukangdedaxiaozhijieguanxidaolingmindu
，yinci，zaizhenggexitongshejizhong
，mingandianjiheqianzhifangdadianludeshejishiguanjianhenandian
，xitongdejiegoukuangturutu2所示。 2.1 敏感電極

gaimingandianjiyouganyingceng

，youyuanpingbicenghejiedipingbicengsancengjiegougoucheng


，tongguosantongzhoudianlanyuhoumianqianzhifangdadianlulianjie。ganyingcengheyouyuanpingbicengyouzhijingwei3.5 cm的(de)標(biao)準(zhun)雙(shuang)麵(mian)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)構(gou)成(cheng)。電(dian)路(lu)板(ban)的(de)一(yi)麵(mian)被(bei)覆(fu)銅(tong)作(zuo)為(wei)感(gan)應(ying)層(ceng)，感(gan)應(ying)層(ceng)外(wai)圍(wei)的(de)一(yi)圈(quan)覆(fu)銅(tong)與(yu)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)背(bei)麵(mian)相(xiang)連(lian)構(gou)成(cheng)有(you)源(yuan)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)
，最(zui)外(wai)層(ceng)的(de)金(jin)屬(shu)殼(ke)作(zuo)為(wei)接(jie)地(di)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)。整(zheng)個(ge)電(dian)極(ji)的(de)直(zhi)徑(jing)為(wei)3.7 cm，厚度為0.5 cm．電極的結構如圖3所示。 [page]
 
2.2 前置放大電路

為了提高係統輸入阻抗
，有效測量空間或者物體表麵微弱電壓信號

，在前置放大電路設計過程中采用了保護、自舉
、有源驅動屏蔽和接地屏蔽技等技術，結構原理圖如圖4所(suo)示(shi)。前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)通(tong)過(guo)三(san)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)從(cong)前(qian)端(duan)敏(min)感(gan)電(dian)極(ji)獲(huo)得(de)感(gan)應(ying)信(xin)號(hao)，經(jing)過(guo)放(fang)大(da)後(hou)輸(shu)出(chu)給(gei)後(hou)麵(mian)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)。電(dian)路(lu)設(she)計(ji)以(yi)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)靜(jing)電(dian)型(xing)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)AD549(圖中A1)為核心，該運放具有超高的輸入阻抗


、jidideshurudianronghedideshuruzaosheng，wanquanmanzufeijiechudianyaceliangdexuyao。qianzhifangdadianlugongzuoxuyaowendingdezhiliugongzuodian
，pianzhidianlunenggouweiyunfangtigongwendingdezhiliugongzuodian，danpianzhidianludeyinruyejiangdilexitongdeshurudianzu，yincixuyaoliyongfankuijishuzaibuxianzhujiangdishuruzukangdetiaojianxiaweiqianzhifangdadianlushejipianzhidianlu。shejizhongkaolvdaoR1和R2對偏置電路阻抗和噪聲的影響，經過折中考慮，采用2個阻值為100 MΩ的電阻通過正反饋構成自舉結構來形成偏置電路
，如前置放大電路原理圖所示。偏置電路的等效輸入阻抗可用下麵公式表示： 從式(3)可ke知zhi自zi舉ju結jie構gou的de運yun用yong極ji大da的de提ti高gao了le傳chuan感gan器qi的de等deng效xiao輸shu入ru阻zu抗kang。為wei了le減jian小xiao傳chuan輸shu線xian上shang的de等deng效xiao寄ji生sheng電dian容rong，提ti高gao了le輸shu入ru阻zu抗kang
，並bing減jian少shao了le信xin號hao傳chuan輸shu損sun耗hao。為wei減jian小xiao運yun算suan放fang大da器qi輸shu入ru電dian容rong
，在zai前qian置zhi放fang大da電dian路lu設she計ji過guo程cheng中zhong采cai用yong了le電dian容rong抵di消xiao技ji術shu
，如ru原yuan理li圖tu所suo示shi，電dian容rongCf和電位器Rp構成輸入電容抵消結構，該結構的運用使得運放的等效輸入電容降低為： 式中μ是電位器的正反饋係數。

從式(4)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，經(jing)過(guo)精(jing)確(que)調(tiao)節(jie)，選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)參(can)數(shu)，輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)抵(di)消(xiao)結(jie)構(gou)能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)運(yun)放(fang)的(de)等(deng)效(xiao)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)，增(zeng)大(da)係(xi)統(tong)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)。高(gao)性(xing)能(neng)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)和(he)新(xin)型(xing)反(fan)饋(kui)技(ji)術(shu)的(de)運(yun)用(yong)使(shi)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)極(ji)高(gao)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)
，能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)的(de)耦(ou)合(he)空(kong)間(jian)微(wei)弱(ruo)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)。

2.3 控製器和模數轉換

係統采用16位單片機MSP430F5529作為控製器，該單片機采用了精簡指令集結構，具有較低的供電電壓，並且具有3個時鍾，每個時鍾都可以在指令控製下打開與關閉
，這些特點使其具有極低的功耗，非常適合便攜式檢測設備對低功耗的要求。

因為檢測的是微弱電壓信號，為了提高係統的分辨率
，采用24位寬頻帶AD轉換芯片ADSl271構(gou)成(cheng)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)。該(gai)芯(xin)片(pian)通(tong)過(guo)單(dan)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)，采(cai)用(yong)外(wai)部(bu)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)，輸(shu)入(ru)端(duan)采(cai)用(yong)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)。因(yin)為(wei)係(xi)統(tong)測(ce)量(liang)的(de)是(shi)低(di)頻(pin)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，為(wei)了(le)使(shi)信(xin)號(hao)滿(man)足(zu)AD轉換芯片輸入端電壓的要求，在模數轉換之前設計了一個電壓提升電路。該電壓提升電路由差分驅動芯片AD8131構成，其作用是將測量到的交流信號疊加一個2.5 V的直流偏移。疊加2.5 V的直流偏移不僅使信號滿足了芯片輸入端對電壓的要求

，而且增大了電壓的測量範圍。

2.4 軟件設計

係統采用模塊化程序設計，使用了多個子程序，包括AD初始化程序、延時程序、軟件濾波程序
、無線傳輸程序
、上位機顯示程序等，完成了信號采集、信號處理、信號傳輸
，信號顯示等功能。係統流程圖如圖5所示，主控製模塊負責協調控製整個係統的運行，采用調用原則將需要的模塊調入運行
；AD轉換模塊負責完成信號的模數轉換
；無線傳輸模塊完成單片機與上位機的信號傳輸

；上位機顯示模塊完成信號的初步處理及顯示。

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3 測試結果及分析

為了對係統性能進行測試，文中設計了一種電壓測試平台
，如圖6所示。該平台主要由聚四氟乙烯支撐架、鋁金屬板、絕緣支撐板三部分組成。聚四氟乙烯三根支撐柱上設計了多個等距離的間隙，用於放置極板和支撐板，並且方便板間距離的計算。以2片直徑為80 cm的圓鋁金屬板作為電極極板
，連接到信號發生器兩端，用來產生電場。圖中中間3片是絕緣支撐板，測量時將感應電極粘附在支撐板上
，因此支撐板到極板的距離就是測量電極到極板的距離。將兩極板相距30cm，上極板接信號發生器正電壓輸出端
，下極板接負電壓輸出端並接地，感應電極距離上極板為25 cm，在兩極板上加一個幅值為500mV，頻率為2 Hz的正弦信號，測得的波形結果如圖7suoshi。youtuzhongkeyikanchu
，liyonggaixitongtongguofeijiechufangshikeyicedeboxingqingxi，jiangcededeshuzhichengyibiaodingxishuhounenggoufanyingjibandedianya。tongguogaibianjibanjianbutongdedianya，keyicedexitongdelingminduhexianxingdu。 結語

本ben文wen主zhu要yao闡chan述shu了le基ji於yu電dian容rong耦ou合he原yuan理li的de非fei接jie觸chu電dian壓ya檢jian測ce方fang法fa
，著zhe重zhong講jiang述shu了le具ju有you超chao高gao輸shu入ru阻zu抗kang的de前qian置zhi放fang大da電dian路lu設she計ji
，完wan成cheng了le包bao括kuo敏min感gan電dian極ji和he信xin號hao處chu理li、傳輸、顯示等模塊在內的係統設計。本文設計的係統簡單易懂
、頻帶寬
、靈敏度高
，能夠實現對電壓的非接觸式測量。在安全、醫療、人機交互、無損檢測等領域有良好的發展前景。

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