電容電壓轉(zhuǎn)換

1、電容電壓轉(zhuǎn)換基于 CAV424 的電容式壓力傳感器測量路設(shè)計(jì)摘要：隨著差動(dòng)式硅電容傳感器廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中對差動(dòng)電容信號的檢測至關(guān)重要。文中提出基于 CAV424 電容檢測芯片作為 前置檢測單元， 實(shí)現(xiàn)了電容壓力傳感器測量電路該電路具有穩(wěn)定性好，抗擾性強(qiáng)，且通過非線性補(bǔ)償有良好的線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際電路與理論分析具有良好的一致0 引言硅電容壓力傳感器是利用硅基材料，應(yīng)用電容原理，采用MEMS藝制作的一類新型壓力傳感器。因其具有穩(wěn)定性好，線性和可靠性優(yōu)越的性能被廣泛用于工業(yè)控制和測量領(lǐng)域。但是差動(dòng)容式壓力傳感器的輸出差動(dòng)電容信號通常都非常微弱，因此，何將微小電容變化量檢測及轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路容

2、易處理的信號至關(guān)重要。目前，比較常用的檢測調(diào)理電路如諧振法、振蕩法、開關(guān)電容法、AC電橋法、運(yùn)算放大器檢測法等。這些調(diào)理電路都是采用分離元件設(shè)計(jì)而成的， 而文中將采用一款電容專用檢測轉(zhuǎn)換芯片CAV424 作為調(diào)理電路的核心部件實(shí)驗(yàn)表明該電路穩(wěn)定性高，功耗低，且非線性度在 02% 0 1%,非常適合使用干電池供電的儀表儀器。1 CAV424 工作原理1. 1 測量原理CAV424是專門用于電容檢測轉(zhuǎn)換的集成芯片，其工作原理圖及外圍連接圖如圖1所示。VTEM PRCxi/?Gsr AV424I. 積分器i積分器2-O-Li PiMit圖 1 CAV4244八一GNDCu作原理圖及外圍連接圖由圖1可

3、知，通過電容C C調(diào)整參考振蕩器的頻率來驅(qū)動(dòng)2個(gè)構(gòu)造對稱的積分器并使它們在時(shí)間和相位上同步。2個(gè)被控制的積分器的振幅分別由電容C X1和C X2來決定，這里C X1作參考電 容，CX2作為測量電容于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以2個(gè)振幅的差值所提供的信號就反映出2個(gè)電容C X1和C X2的差值。這個(gè)電壓差值通過后面的有源濾波器濾波為直流電源信號（整流效應(yīng)），然后送到可調(diào)的放大器，調(diào)整RL 1和RL 2測量C的值，可得到所需要的輸出電壓值。如果2個(gè)電容C X1和C X2值同，那么經(jīng)過整流和濾波得到的一個(gè)直流電壓信號就是零。如果X2電容改變了C X2,那么得到的輸出電壓與之是成正比的如果

4、2個(gè)電容C X1和C X2值不相同，那么當(dāng) C X2 = 0時(shí)，在輸 出端得到的是一個(gè)偏置值，它始終是疊加在直流電壓信號上的。1.2測量輸出根據(jù)CAV424作原理及外圍電路連接圖，可得測量輸出表達(dá)式:fl)Ir這里取1 CX1 = IM LPCX2 = I C,所以輸出表達(dá)式（1 ）可簡化為:y t二匕Q- * 1 *3 6 not .M九覺a式中:1 +臥RL2這里取常數(shù)5VM為參考電壓2 5 V; Ic為2個(gè)積分器的充電電流，A; f osc為參考振蕩器頻率范圍，其由被測電容的最小值決定。2硬件電路及軟件設(shè)計(jì) 2. 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要以CAV424檢測芯片和微處理器控制模塊為核心，另外還

5、有輸出顯示模塊以及電源模塊等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。控制處理模塊* lit:電源模塊圖2系統(tǒng)框圖CAV424檢測芯片在系統(tǒng)中百要任務(wù)是將傳感器的差動(dòng)電容信號轉(zhuǎn)換為可測的電壓信號。差動(dòng)式壓力傳感器的低壓端連接C XI參考電容端，高壓端連接 C X2被測電容端，這樣連接可以保證輸出電壓始終為正。2. 2電容檢測電路設(shè)計(jì)根據(jù)硅電容壓力傳感器核心器件可看成由中心可動(dòng)電極和兩邊的固定電極組成的2個(gè)可變電容，其敏感電容可以簡單地認(rèn)為是平板電容，而平板電容公式為:并且將C X1參連接到差壓的高壓端，C X2連接到低壓端。由此可得C XI參和C X2表達(dá)式:因此可得式（2）最終表達(dá)式:2. / . J16/(L

6、S(中：為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù);面積；3為兩極板的間隙因此，在小位移情況下，外加壓力和S為兩極板相對有效3成比例關(guān)系，可見電容的倒數(shù)差與輸入壓力成線性關(guān)系。所以文中將CAV424 的 CX 1作為參考電容端連接到差壓的高壓端是合適的，這樣的線性關(guān)系減少了系統(tǒng)誤差的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。CAV424檢測轉(zhuǎn)換原理如圖3所示圖3 CAV424檢測原理圖2.3控制及顯示電路設(shè)計(jì)控制顯示電路以單片機(jī)為核心，選用PIC16F877單片機(jī)為控制器，其內(nèi)部含有10位高精度A /D轉(zhuǎn)化器，能夠直接處理模擬電壓， 調(diào)整CAV424的GLP ,可以使輸出電壓范圍在 2 535V之間，滿足單片處理信號的

7、要求。顯示器件選用LCM 046液晶模塊，其功耗低，工作電流只有級，并且其與處理器連接簡單連接圖如圖4所示。GMiPh I hi s；;圖4液晶連接圖2.4軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要包括 A /D轉(zhuǎn)換程序和LCM 046數(shù)據(jù)顯示兩部分。另外行必要還有非線性補(bǔ)償部分， 在線性不好的情況下可以采用插值法進(jìn) 的線性補(bǔ)償。軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖 5、圖6、圖7所示i電線性化補(bǔ)償i11( 1IH-tr _-J與飛1r顯示ft值調(diào)用顯示程序調(diào)用先性化 補(bǔ)償子稈庫P k J圖5主程序AD轉(zhuǎn)換子程序圖LCMW6子程序3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析試驗(yàn)中差動(dòng)式電容傳感器的低壓端連接CAV424的C X2管腳，高壓端連接C X1管腳。根

8、據(jù)差動(dòng)電容值的變化范圍，C C這里取82 pF,貝卩 fosc = 29. 036 kH 乙 GLP = 1 +RL1/RL2中的RL 1, RL2分別取300 Q和100 Q ,這樣使得 CAV424輸出的電壓范圍在25375 V,在ADC模擬輸入范圍內(nèi)。兩種量程的電容傳感器作為實(shí)驗(yàn)的測試對象，分別是130 Pa和10M Pa兩種。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同情況下，實(shí)驗(yàn)測得常溫下數(shù)據(jù)如表1、表2所示。壓力/PaCv2 /pF理論電壓ZV實(shí)際值/V051- 8442 6X3. (134 683- 035 125257. 7844 563. 163 141 162 28KH65. 574& 893. 171

9、 993. 172 57130九445L 363- 180 9()3. 180 65表 2 10MPa對應(yīng)輸出電壓值壓力MPa缶時(shí)4吐理論電壓/V實(shí)際值/V051. 5042 382 998 512. 997 97457? 9947. 013? 020 183- 020 151()(W. 905L 473? 161 58M 160 11從表1、表2可以看出實(shí)際測量值與理論值差值范圍在0 001表1 130 Pa對應(yīng)輸出電壓值470000 3,誤差小于02%,且線性也比較理想。整體性能符合實(shí)際要求，因此利用1片CAV424作為測量電路檢測前端是可 行的，有很好的 實(shí)用,在CAV424I的電路中還

10、集成了一個(gè)溫度傳感器，它可以直接給微處理4 一 15:器提供溫度信號可用于 溫度補(bǔ)償，從而簡化了整個(gè)傳感器系統(tǒng)。電容量測電路如圖 由于CAV424是差動(dòng)輸出，經(jīng)放大器INA101轉(zhuǎn)化為單端電壓輸出。詳細(xì)介紹了用 CAV414 和 AM402 二個(gè)電路得到三線制電流輸出（ 0/4 至 20mA ）的方法和它的測試 電路板。電子仿真軟件 MultiSIM 使用方法及技巧發(fā)布： 2011-05-17 | 作者： |來源： menglongfei |查看： 1042 次|用戶關(guān)注 :電子仿真軟件 MultiSIM 最初由加拿大的 IIT 公司推出，從 Multisim2001 開始到后來的 Multi

11、sim7Multisim8Multisim9 至 U 目前的Multisim10本，已改由美國國家儀器公司NI 公司 ）所推出。但它Multisim 版本每次升級，軟件功 能都有相應(yīng)的提高，們的操作方法和電子電 路虛擬仿真這一塊內(nèi)容幾乎沒有太也 就是大的變化。說，讀者只要掌握和學(xué)會(huì)了 Multisim7 軟件的使用方法，其它的版本也就觸類旁通了。軟件更新快，讀者也不一定要一味去趕時(shí)髦， 電子仿真軟件 MultiSIM 最初由加拿大的 IIT 公司推出，從 Multisim2001 開始 到后來的 Multisim7 和 Multisim8 止； Multisim9 到目前的 Multisim1

12、0 版本， 已改由美國國家儀器公司 （NI 公司）所推出。 Multisim 版本每次升級，軟件功能 都有相應(yīng)的提高，但它們的操作方法和 電子電路虛擬仿真這一塊內(nèi)容幾乎沒有 太大的變化。也就是說，讀者只要掌握和學(xué)會(huì)了學(xué)當(dāng)然，讀者要進(jìn)一步提高，要學(xué) LabVIEW 技術(shù)，是上手快，二是獲得軟件容易技術(shù)范Multisim7 軟件的使用方法， 其它的版本也就觸類旁通了。軟件更新快，讀者也不一定要一味去趕時(shí)髦，這 要看你用軟件做 什么內(nèi)容來決定，如果是初學(xué)者和一般電子電路虛擬仿真，學(xué) 會(huì)和掌握 Multisim7 軟件的使用方 法已足夠。 要學(xué)單片機(jī)仿真，要學(xué) UltiBoard 制版，那當(dāng)然需要安裝

13、 Multisim9 或 Multisim10 版本了，但目 前介紹這方面的 專業(yè)書籍資料不太多，且新版本軟件剛推出時(shí)不易得到、存在不夠穩(wěn)定等缺 點(diǎn)； 再說 LabVIEW 技術(shù)也不像電子電路仿真那樣容易學(xué)會(huì)，它是屬于構(gòu)建虛擬儀器 疇；至于單片機(jī)仿真，軟件目前只適用匯編語言，不能用C 語言編程；且模塊也僅有 8051 和 8052 兩種，單片機(jī)仿真技術(shù)方面還不是太理想，有待于版本進(jìn)一步升級和提高。電子仿真軟件MultiSIM的元件庫中雖然收集了大量的常用電子元件，供讀者調(diào)用搭建電MultiSIM者有一些啟發(fā)。路進(jìn)行虛擬仿真，但有些讀者有時(shí)用到的電子元件， 的元件庫中沒有怎么辦？下面就這個(gè)話題談

14、談自己的一些處理方法，或許對讀MultiSIM的微弱紅外線， 很簡單，我們可以用 開關(guān)打開時(shí)表示電路沒有接收到信號；開關(guān)閉合一、沒有“熱釋電人體紅外傳感器”怎么辦？ “熱釋電人體紅外傳感器”是一種新產(chǎn)品，電子仿真軟件 的元件庫中沒有。我們知道“熱釋電人體紅外傳感器”是一種能接收人體發(fā)出 然后將它轉(zhuǎn)換成微弱電信號的一種器件。既然我們知道了它的工作機(jī)理，一個(gè)開關(guān)來代替它。將開關(guān)和電源連在一起，J1閉合一下隨即打開，看紅色泡的，這里采取 般來說只要虛擬仿真成功了，做成實(shí)物也就沒有大問題一下隨即打開，表示電路已接 收到人體走動(dòng)的紅外線信號，并已轉(zhuǎn)換成電信號被接收，電路會(huì) 動(dòng)作，或控制 的節(jié)能燈亮了，或

15、控制的繼電器閉合了等。圖一是“熱釋電人體紅外感應(yīng)節(jié)能 燈”的虛擬仿真電路，讀者可以去試一下，開關(guān) 指示燈是否會(huì)亮一段時(shí)間，然后自動(dòng)熄滅。在實(shí)際電路中，電路是控制交流燈 了用紅色指示燈來代替的變通方法，了 （注：圖中電阻R19是為了仿真時(shí)紅色指示燈 發(fā)光穩(wěn)定添加的，實(shí)際電路可以不用；圖 是在MultisimIO軟件下做的仿真， 讀者完全可以在Multisim7或“漢化特殊版 Multisim8330 ”軟件下實(shí)現(xiàn)）p(J _ HI 加:HUt4 .Kh IKtfKI I七tAiPHXI?5VtiicVIIIJ? -J MlIMVIfij I 叫JG2 VQll-ki4?irrjiiTP?* 1-

16、.rin?r - r丿叫I Ml? ILin；Fmn H.TVLiHr 二01；1 )11 !IS二陽nFIS二網(wǎng)iF.! n圖1二、沒有“光敏電阻”怎么辦？同樣地，電子仿真軟件 MultiSIM的元件庫中也找不到光敏電阻。比如圖一的實(shí)際節(jié)能燈電路，要求天黑以后工作，白天不工作。這時(shí)在實(shí)際電路中就需要接上光敏電阻，光敏電阻接收到光照時(shí)，阻值降低，女nMG45-13型光敏電阻亮阻 W 5KQ ;相反，光敏電阻在黑暗中時(shí)，阻值升高，女口MG45-13型光敏電阻暗阻5MQ。既然知道了光敏電阻這一特性，我們就可以用兩個(gè)電阻1的運(yùn)放第9腳接一個(gè)5.1MQ電阻到地， 表示黑夜，接 閉合一成5.1K Q,表

17、示vetL-rJlOVJTspace12仝一二-L1HS758_D1 ：:5A2NM44VI220 VriiB50 Hz0VCCwv220 VJt哀D2）15八2N5444Key = Space二-1N5758來分別代替它進(jìn)行電路虛擬仿真。在圖在此處的光敏電阻對原電路仿真沒有任何影響，即開關(guān)J1下隨即打開，紅色指示燈會(huì)亮一段時(shí)間，然后自動(dòng)熄滅；將接在此處的電阻換 白天，則開關(guān)J1閉合后紅色指示燈始終不會(huì)亮。三、如何對雙向晶閘管控制交流燈泡進(jìn)行虛擬仿真？和滅的，可以上述節(jié)能燈電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)，是用雙向晶閘管來控制交流燈泡的亮在電子仿真軟件中搭建如圖 2所示虛擬仿真電路。先用“ +10V電源控制交流

18、燈泡X1的發(fā)光如 圖3所示；再用“ -10V電源控制交流燈泡X1的發(fā)光如圖4所示。以上虛擬仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了 用雙向晶閘管來控制交流燈泡 發(fā)光的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)際上，雙向二極管是受交流電的正、負(fù)半周 電壓控制的， 這里也可用正、負(fù)直流電壓來代替仿真，效果是一樣的。XI-五VVI220 Uriil5B HlXI 220 VVCC- - 3-jJ-iov 員iciv：II -*叮VIR2Key= Space :1N5758亠D】.yp2H5444;i.I、220 VrriH 丘M0R5繼電并聯(lián)到電阻R4上器K2常閉觸點(diǎn)分開如圖6所示，控制加熱器停止加熱（注：圖5和圖6是/匕Multisim?軟仆卜做的仿

19、貞廠Y2IHRl51AO5丄 r C,1,1e帥口血1r1/T 1*Pi : 里T 土 A卻4四、沒有“熱敏電阻”怎么辦？同樣地，電子仿真軟件 MultiSIM的元件庫中也找不到熱敏電阻。熱敏電阻特性和光敏電阻相似，有負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)之分，如圖5所示為一用負(fù)溫度系數(shù)電阻控制電路，圖中以普通電阻R4代替熱敏電阻，打開仿真開關(guān)，當(dāng)溫度正常時(shí)，晶體管不工作，繼電器K2常閉觸點(diǎn)吸合，控制加熱器加熱；假設(shè)溫度升高，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值減小，我們再用一個(gè)普通電阻，模擬負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值減小，這時(shí)再打開仿真開關(guān)，QI,4VI -? ViCKuriiLi占F4: . JkO血小占女二 .SkOhn 出1I -1 EET， F J-kA 1HR1S1A0SPlA .:P勺.山：記皿QI + VL/ -P4匯.汨卄血斛rAP5:iiUk址皿_5Vi結(jié)束宀兀并不一 MultiSIM 的 十 好了 功再修改以上所列例子都說明了，在應(yīng)用電子仿真軟件MultiSIM進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，有許