分布電容對(duì)施密特觸發(fā)器與RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路的影響

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

一、引言

任何兩個(gè)絕緣導(dǎo)體之間都存在電容。例如導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質(zhì)隔開的，所以也都存在著電容。這種由于電路的分布特點(diǎn)而具有的、非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)稱之為分布電容[1]，分布電容的存在是不可避免的，但在交流高頻電路中，微小的分布電容變化，可能導(dǎo)致電路信號(hào)產(chǎn)生明顯改變，從而影響正常輸出，導(dǎo)致故障發(fā)生。

本文分析了實(shí)驗(yàn)室廢液收集箱電纜連接水箱電極后產(chǎn)生誤報(bào)警的原因，分析得出，該多諧振蕩電路VBJ電壓不僅受電極兩端電阻變化影響，外界引入分布電容也會(huì)改變VBJ電壓，電纜連接測(cè)試盒和連接水箱上電極產(chǎn)生的分布電容明顯變化，這個(gè)變化量導(dǎo)致VBJ電壓在電極兩端阻值未達(dá)到報(bào)警點(diǎn)的情況下提前報(bào)警，發(fā)生誤報(bào)警現(xiàn)象。在分析外界引入分布電容構(gòu)成后，針對(duì)如何消弱分布電容給出具體措施，將分布電容從289pF減弱到48pF，效果明顯。

二、檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室廢液需要進(jìn)行收集，一直以來(lái)這種收集狀態(tài)依賴人工定期檢測(cè)，過(guò)程耗時(shí)，為此設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)裝置，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，并給出報(bào)警信號(hào)，提示液滿。

檢測(cè)裝置為分體式，包括檢測(cè)電極和檢測(cè)電路兩部分。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)為可移動(dòng)的提醒器，安裝在操作區(qū)，便于獲取提醒信號(hào)，檢測(cè)電極安裝在待檢測(cè)的儲(chǔ)水箱上，檢測(cè)電極與檢測(cè)電路通過(guò)帶屏蔽皮的電纜連接，進(jìn)行信號(hào)的采集和反饋。

三、檢測(cè)原理

在一個(gè)大氣壓和25℃條件下，水電解電壓為1.23VDC，因此，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程，如果使用恒電位工作電路，很容易造成水電解反應(yīng)，直接影響檢測(cè)結(jié)果。為此設(shè)計(jì)了采用施密特觸發(fā)器與RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，為電極兩端提供一個(gè)方波脈沖電壓。檢測(cè)對(duì)象為電極（J1）兩端的阻值，檢測(cè)電路將采集到的阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VBJ，當(dāng)VBJ電壓達(dá)一定值，電路給出報(bào)警信號(hào)，提示液滿。電路原理圖如圖2所示。

四、故障現(xiàn)象

在電路調(diào)試過(guò)程，使用一種測(cè)試盒（如圖3所示）代替儲(chǔ)水箱上的電極J1，測(cè)試盒提供一定阻值，模擬電極間阻值，對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，并設(shè)定阻值為400kΩ時(shí)對(duì)應(yīng)VBJ為報(bào)警電壓。使用此方法調(diào)試的報(bào)警電路，在實(shí)際連接貯水箱進(jìn)行液滿監(jiān)測(cè)時(shí)，產(chǎn)生誤報(bào)警現(xiàn)象，即阻值未達(dá)到400kΩ，電路給出液滿報(bào)警信號(hào)。

五、故障分析

公式（1）為施密特觸發(fā)器周期計(jì)算公式，從式中可以看出，R和C都是影響振蕩周期的參數(shù)，不僅待檢測(cè)阻值R改變影響振蕩電路，外界引入電容對(duì)C的改變，也會(huì)導(dǎo)致振蕩電路周期的變化，從而改變輸出信號(hào)VBJ。且RC微分電路提供給電極的是交流信號(hào)，在交流或高頻的工作的情況下，微小的電容量變化，可能會(huì)嚴(yán)重影響電路工作[2]：

其中，VT+—正向閾值電壓，單位：V；

VT-—負(fù)向閾值電壓，單位：V；

VDD—電源電壓，單位：V。

該電路為分體式設(shè)計(jì)，水箱、電極通過(guò)電纜連接至檢測(cè)電路。分布電容是由兩個(gè)存在電壓差而又互相絕緣的導(dǎo)體所構(gòu)成，而用測(cè)試盒替代水箱，二者產(chǎn)生的分布電容差異，未被考慮，且長(zhǎng)電纜交流控制回路分布電容問(wèn)題在工程應(yīng)用中并不少見[3]。分析引起誤報(bào)警現(xiàn)象的可能因素為分布電容，即等效為圖2中的C31、C32和C21。

結(jié)合多諧振蕩電路特征，通過(guò)仿真得出，分布電容C在150pF～350pF之間時(shí)，C與VBJ電壓的關(guān)系如下所示：

其中，VBJ—多諧振蕩電路輸出電壓，單位：mV；

C—外界引入多諧振蕩電路總的分布電容值，單位：pF。

由式（2）可以看出，VBJ與C呈正比例關(guān)系，分布電容C增加，VBJ電壓變大。

用阻抗分析儀對(duì)電纜連接測(cè)試盒與連接電極時(shí)總的分布電容值進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示，實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，測(cè)試盒雖在理論上模擬了電極兩端的阻值，但連接測(cè)試盒與連接水箱上電極所產(chǎn)生的分布電容值相差133pF，不可忽視。

表1測(cè)試結(jié)果帶入式（2），求得C從156pF增加至289pF，VBJ電壓變大33mV。

表1 電纜連接測(cè)試盒和電極時(shí)分布電容值

表2 不同阻值下VBJ電壓及報(bào)警點(diǎn)電壓

表2為實(shí)驗(yàn)過(guò)程電纜連接測(cè)試盒時(shí)，記錄的不同阻值下VBJ電壓值，以及設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)。從表2可以看出，當(dāng)設(shè)定阻值小于等于400kΩ時(shí)，對(duì)應(yīng)報(bào)警點(diǎn)電壓大于等于1.198V。在實(shí)際使用時(shí)，電纜從連接測(cè)試盒，改為連接水箱上電極，以410kΩ為例，由于分布電容從156pF增至289pF，導(dǎo)致VBJ電壓變大33mV，此時(shí)VBJ=1.172V+0.033V=1.205V>1.198V，提前到達(dá)報(bào)警點(diǎn)電壓，因此產(chǎn)生誤報(bào)警。

計(jì)算結(jié)果證明，分布電容的引入，可以導(dǎo)致在電極間阻值未達(dá)報(bào)警值時(shí)，產(chǎn)生誤報(bào)警現(xiàn)象。

六、分布電容的弱化

由于分布電容是客觀存在的，無(wú)法徹底消除，只能弱化，以避免分布電容對(duì)正常檢測(cè)帶來(lái)的影響。

電纜長(zhǎng)度較短時(shí)，它的實(shí)際影響可以忽略不計(jì)，如果電纜很長(zhǎng)或傳輸信號(hào)頻率很高時(shí)，就必須考慮分布電容的作用[4]。該電路中，產(chǎn)生的兩部分分布電容，電纜是主要因素，在設(shè)計(jì)上采用：

1、電纜屏蔽皮與電源地進(jìn)行搭接，弱化電纜產(chǎn)生的分布電容。

表3 電纜不同連接狀態(tài)對(duì)應(yīng)分布電容值

表3為電纜屏蔽皮與電源地搭接前后分布電容和VBJ電壓實(shí)測(cè)值?？梢钥闯?，電纜連接電源地后，分布電容明顯弱化，有效降低了分布電容的影響。

2、固定電纜長(zhǎng)度和型號(hào)。

選用固定廠家型號(hào)的電纜，并固定電纜長(zhǎng)度，報(bào)警點(diǎn)調(diào)試過(guò)程中將電纜分布電容考慮進(jìn)去，設(shè)置合理報(bào)警點(diǎn)，并確保調(diào)試和最終使用電纜規(guī)格一致。

另外，調(diào)試過(guò)程的測(cè)試盒分布電容值應(yīng)盡量接近實(shí)際測(cè)試對(duì)象，即水箱上的電極，避免因二者電容差引起的故障。

七、結(jié)論

本文分析了導(dǎo)致由施密特觸發(fā)器和RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路誤報(bào)警的原因，同時(shí)分析了外界引入分布電容的構(gòu)成，并給出消弱分布電容影響的措施。為同類型電路相似問(wèn)題提供參考。