12电极ECT测量电路设计

　　电容层析成像,即ECT(Electrical Capacitance Tomography)是本世纪80年代末、90年代初提出的一种新的层析成像技术.它以无辐射、成本低、速度快的优点得到广泛的关注.12电极传感器ECT硬件系统由3部分组成——初级传感器、测量和接口电路及重建计算机.合理设计并实现ECT的测量电路对整个系统的性能是至关重要的[1].测量电路的任务主要是:①选择电极组合成对;②测量所有可能的电极对组合之间的电容值;③将模拟的电容值转化为数字信号并传送给图像重建计算机.在实现ECT的测量电路中,第一个主要困难是被测对象变化时反映在电容上的变化是很小的,这就要求仔细地设计和实现电极和测量电路、减小分布电容、采用低漂移和低噪声电路,以获得高灵敏度与高信噪比(SNR);另一个困难是对测量电路的动态范围要求高(0.3 fF～2pF ),当实时层析成像时,测量加快,使得电路的频带也相应地加宽,这进一步提高了低噪声电路设计和实现的难度.对测量电路有以下几个要求:①与包含12个测量电极的初级传感器相配合;②高测量分辨率;低噪声电平;低漂移;③宽测量动态范围(0.3 fF～2 pF);④高数据捕获速度(在10 ms内为一帧图像捕获到所有测量数据);⑤全软件控制流程.

　　本文将详细介绍硬件测量电路原理及设计.

　　1　测量电路的基本原理及总体设计

　　1.1　电容值的测量

　　1.1.1　基本电容测量电路

　　基本测量电路的模型如图1(a)所示.待测电容Cx的一个电极(称之为源极)联接在一对CMOS开关S1与S2上,另一电极(称为测量极)与开关S3和S4相连,开关控制时序如图1(b),在一个工作周期内,前半周期S1与S3首先闭合(S2与S4断开)为Cx充电,充电电压为Vc,充电电流流入探测头CD1的输入端(虚地点),转化为反向电压输出,后半周期S2与S4闭合(S1与S3断开),对Cx放电至地电位,放电电流流出探测头CD2,产生一正电压输出,这一充放电的循环以频率f重复,连续的充放电电流在两个探测头中被平均,产生两个直流电压输出.

　　由电量守恒定理,对CD1,有

　　式中,Rf是探测头的反馈电阻;e1、e2是CD1与CD2的输出偏移,它主要是由CMOS开关的充电注入效应引起,运放A1、A2本身产生的偏移电压比较充电注入效应而言是十分微小的.电容Cin(0.1μF)保证了CD1与CD2输入端的地电位在高速的充放电过程中保持稳定.测量过程中,源极一直与一低阻输入相连,而测量极一直与地电位相连,杂散电容对测量结果基本无影响.

　　探测头的动态特性相当于时间常数T由CfRf决定的一阶低通滤波器,这一时间常数的选择保证了在数据捕获速度保证的条件下开关频率f的有效衰减及放大器噪声带宽受限.基本测量电路的输出采用差分形式,由(3),(4)两式,有