7.3.2 关键部件设计技术
7.3.2.1 亚pF微电容检测电路设计
电场法采用的同心共面环状电容传感器能够实现全方向的电场信号检测，但是由于电场线发散分布，因此电容传感器容值及其在混合物中的容值增量较微弱（0.1pF），需要设计具备动态范围大、检测灵敏度高、低噪声、抗杂散性等特点的微电容信号检测电路。
技术调研发现，当前用于实现微小电容精确检测的电路形式主要包括调频式微弱电容检测方法、开关充放电式微弱电容检测方法和交流激励式微弱电容检测方法，实验室测试效果可达到fF级别；但是这些方法对于电路元件有较高的要求，工程应用中的精度和抗干扰性不足，实测精度为pF级别。
通过分析常用微弱电容检测方法的应用特点，本课题组设计了一种基于交流锁相放大检测原理的微电容检测电路，电路结构如图7-5所示。
图7-5 交流锁相放大原理检测方法电路原理图
使用正弦信号Vsin对被测电容Cx进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf和运放D1组成的检测器转换成交流电压Vout，则有
使jwRfCf≫1，则上式可以简化为Cx=-Vout/Vsin×Cf，输出电压值正比于被测电容值。Cs1和Cs2表示待测电容的杂散电容，Cs1由激励源驱动，它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容Cs2在检测过程中始终处于虚地状态，对电容检测无影响，因而整个电路对杂散电容的存在不敏感，即该电路具有较强的抗杂散电容的性能。
为了满足jwRfCf≫1，需要采用较大的反馈电容Cf、反馈电阻Rf和驱动频率f，对上述参数作用进行分析。
（1）反馈电阻Rf：反馈电阻在电荷放大电路中主要用于稳定直流，避免运放输出饱和，同时还具有电荷泄放功能，防止电荷积累导致运放饱和，因此适当增大该电阻阻值可以提高放大电路稳定性。但是由于阻性元件的热效应和频率效应，在高频信号连续冲击作用下，阻值会发生温漂，从而产生检测噪声，影响系统检测精度。
（2）反馈电容Cf：由Vout=-Cx/Cf×Vsin可知，反馈电容Cf与检测灵敏度成反比关系，Cf越大则系统灵敏度越低，因此Cf的选值不宜过大，通常选择Cf与Cx处于同一量级。
（3）驱动频率：驱动频率越高则系统灵敏度越高，但是高频高精度波形发生电路较为复杂，同时高速信号电路制板技术难度较大，抗电磁干扰能力较差，因此驱动频率也不宜过大，根据经验值一般选择在100～101kHz级别。
由上述分析可知，反馈电容Cf反馈电阻Rf和驱动频率f均不宜采用较大值，与jwRfCf≫1的要求相悖。
针对上述问题，选择采用T形电阻网络形式，在保证良好电阻稳定性和较小温漂的前提下，提高反馈电阻Rf的等效阻值。T形电阻网络如图7-6所示。
图7-6 T形电阻网络电路示意图
其中，Rf1、Rf2和Rf3构成T形电阻网络，在放大电路中的等效反馈阻值为
从而可以采用较小的分立电阻元件产生较大的反馈阻值，能够有效地减小反馈电路的热噪声，从而提高电路的信噪比。通过Candence软件进行电路仿真，最终选择驱动电压频率f=10kHz，Rf1=100kΩ，Rf2=1kΩ，Rf3=100kΩ，Cf=10pF，形成检测电路，如图7-7所示。
图7-7 测试电路优化原理图
7.3.2.2 双核并行工作模式设计
对浓度检测系统工作流程进行分析可知，顺序工作模式下浓度检测过程涉及的工作环节如图7-8所示。
图7-8 顺序浓度检测流程涉及的工作环节示意图
由图7-8可知，前三项环节的工作耗时主要由电路和器件决定，当电路功能确定时，基本没有压缩空间；后两项主要由计算模型以及器件主频和字长决定，可以通过简化算法和选用高频器件的方式提高运算速度。
分析检测流程发现，测量信号的模/数转换、浓度解算和融合浓度解算过程均在CPU控制下完成。三项任务顺序执行，在任意时刻CPU仅能完成一项任务，其余进程处于挂起状态，需要等待时间片轮转。此时系统单次检测时间为
因此考虑采用双核并行作业模式提高运算效率，即在测试系统中使用两个CPU：一个完成系统控制、模/数转换和数据预处理，称为控制处理器；另一个完成数据计算，称为运算处理器。两个处理器之间用高速数据通道实现数据交互，形成并行作业。该模式测试流程转换如图7-9所示。
图7-9 双核并行作业模式示意图
使用双核并行作业模式时，信号采集及预处理和数据解算工作可以并行开展，系统单次检测时间变为
其中，T′是数据双向传输时间，采用DMA技术进行并行数据传输时T′≪min{T4，T5，T6}，由此可见采用双核并行作业模式可以显著提高检测速度。
需要特别指出，虽然需要使用两个核心控制器，但是对控制处理器和计算处理器的任务类型更加集中，事实上降低了对单一处理器的技术要求。
根据上述优化工作模式，使用ARM11和STM32+DSP两种硬件方案分别采用常规数据处理流程和双核并行数据处理流程进行测量，结果表明两种硬件平台/工作模式下进行100次浓度检测平均时间分别为744ms和437ms，表明本节所述双核并行式数据处理流程确实可以显著加快系统检测速度。
根据前述系统总体方案，依次开展电路原理设计、电路参数仿真优化和电路模块加工调试，最后形成两种类型和用途的云雾浓度复合检测系统，分别如图7-10、图7-11所示。
图7-10 仪表式浓度检测系统原理样机
图7-11 弹载式浓度检测系统原理样机
如图7-10所示，仪表式浓度检测系统为金属壳体包装，能够完成两个通道的浓度检测，电路内部含有2MB存储空间，可以实现存储测试；电路接口丰富，具备较多的状态指示功能；支持多种触发方式，还可以形成链式网络结构，构成同步测试网络。该型浓度检测系统主要用于构成可复用外场测试阵列，实现系统性能试验。如图7-11所示，弹载式浓度检测系统为圆形电路叠层结构，接口设计较为简单，电路中不包含大容量存储单元，存储测试时间长度不大于30s，系统功耗不大于10mW，该类测试系统主要应用于二次引信集成测试。