電容電壓轉(zhuǎn)換基于 CAV424 的電容式壓力傳感器測量電力設(shè)計(jì)

1、電容電壓轉(zhuǎn)換基于CAV424的電容式壓力傳感器測量電路設(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(hào)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，抗干擾性強(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性。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工藝制作的一類新型壓力傳感器。因其具有穩(wěn)定性好，非線性和可靠性優(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)電容式壓力傳感器的輸出差動(dòng)電容信號(hào)通常都非常微弱，因此，如何將微小電容變化量檢測及轉(zhuǎn)換為后續(xù)

2、電路容易處理的信號(hào)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元件設(shè)計(jì)而電橋法、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%01%,非常適合使用干電池供電的儀表儀器。1CAV424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VTEMP RCxi/?G>sr< AV424溫度傳感器I參考振蕩器I. < 參考電流源1|一1_> 積分器i>積分器2GNDCu圖

3、1CAV424工作原理圖及外圍連接圖由圖1可知，通過電容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CX1和CX2來決定，這里CX1作參考電容，CX2作為測量電容。由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(hào)就反映出2個(gè)電容CX1和CX2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(hào)（整流效應(yīng)），然后送到可調(diào)的放大器，調(diào)整RL1和RL2的值，可得到所需要的輸出電壓值。如果2個(gè)電容CX1和CX2值相同，那么經(jīng)過整流和濾波得到的一個(gè)直流電壓信號(hào)就是零。如果測量CX2電容改變了CX2,

4、那么得到的輸出電壓與之是成正比的。如果2個(gè)電容CX1和CX2值不相同，那么當(dāng)CX2=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(hào)上的。1.2測量輸出根據(jù)CAV424工作原理及外圍電路連接圖，可得測量輸出表達(dá)式：VXV+C(V-VJ皿IVLP8工,12I(lr?3fl)MLPg這里取1CX1=ICX2=IC,所以輸出表達(dá)式(1)可簡化為：yt二匕十Q-*1*_L36not.MLtJfI1(2)式中：1+趴RL2Vm為參考電壓25V;Ic為2個(gè)積分器的充電電流，這里取常數(shù)5A;fosc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CA

5、V424檢測芯片和微處理器控制模塊為核心，另外還有輸出顯示模塊以及電源模塊等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。檢淵轉(zhuǎn)J控制處數(shù)據(jù)顯換模塊1理模塊示輸出電源模塊圖2系統(tǒng)框圖CAV424檢測芯片在系統(tǒng)中主要任務(wù)是將傳感器的差動(dòng)電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測的電壓信號(hào)。差動(dòng)式壓力傳感器的低壓端連接Cxi參考電容端，高壓端連接CX2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CX1參連接到差壓的高壓端，CX2連接到低壓端。由此可得CXI參和CX2表達(dá)式：因此

6、可得式（2）最終表達(dá)式I3f12a。3)116/(LS(:,式中：£為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；S為兩極板相對有效面積；3為兩極板的間隙。因此，在小位移情況下，外加壓力和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CX1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。nC+GNDk I JotcncuKCAV424VM v( vrL! < H i6 一fi：R T圖3CAV424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PIC16

7、F877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2535V之間，滿足單片處理信號(hào)的要求。顯示器件選用LCM 046液晶模塊，其功耗低，工作電流只有級(jí)，并且其與處理器連接簡單連接圖如圖4所示。PKI6I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LCM046數(shù)據(jù)顯示兩部分。另外還有非線性補(bǔ)償部分，在線性不好的情況下可以采用插值法進(jìn)行必要的線性補(bǔ)償。軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖5、圖6、圖7所示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CX2管腳，高壓端連接CX1管腳。根據(jù)差動(dòng)電容值的變化

8、范圍，C，這里取82pF,貝口fosc=29.036kH乙GLP=1+RL1/RL2中的RL1,RL2分別取300Q和100Q，這樣使得CAV424輸出的電壓范圍在25375V,在ADC模擬輸入范圍內(nèi)。試驗(yàn)中選取兩種量程的電容傳感器作為實(shí)驗(yàn)的測試對象，分別是130Pa和10MPa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。表1130Pa對應(yīng)輸出電壓值壓力/PaCV2/pF理論電壓ZV實(shí)際值/V051-84426X3.(134683-035125257.7844563.16314116228KH65.574&893.171993.17257130九445L363-18

9、09()3.18065表210MPa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/V051.5042382998512.99797457?9947.013?020183-020151()(W.905L473?16158M16011從表1、表2可以看出實(shí)際測量值與理論值差值范圍在00014700003,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)用性。在CAV424I的電路中還集成了一個(gè)溫度傳感器，它可以直接給微處理器提供溫度信號(hào)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415:由于CAV424是差

10、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Multisim7和Multisim8止；Multisim9至U目前的Multisim10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(jí)，軟件功能都有相應(yīng)的提高，但它們的操作方法和電子電

11、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Multisim10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(jí)，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Multisim7軟件的使用方法，其它的版本也就觸

12、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。一是上手快，二是獲得軟件容易。當(dāng)然，讀者要進(jìn)一步提高，要學(xué)LabVIEW技術(shù)，要學(xué)單片機(jī)仿真，要學(xué)UltiBoard制版，那當(dāng)然需要安裝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)建虛擬儀器技術(shù)范疇；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805

13、1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(jí)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)用搭建電路進(jìn)行虛擬仿真，但有些讀者有時(shí)用到的電子元件，MultiSIM的元件庫中沒有怎么辦？下面就這個(gè)話題談?wù)勛约旱囊恍┨幚矸椒?，或許對讀者有一些啟發(fā)。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MultiSIM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)出的微弱紅外線，然后將它轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)的一種器件。既然我們知道了它的工作機(jī)理，很簡單，我們可以用一個(gè)開關(guān)來代替它。將開關(guān)

14、和電源連在一起，開關(guān)打開時(shí)表示電路沒有接收到信號(hào)；開關(guān)閉合一下隨即打開，表示電路已接收到人體走動(dòng)的紅外線信號(hào)，并已轉(zhuǎn)換成電信號(hào)被接收，電路會(huì)動(dòng)作，或控制的節(jié)能燈亮了，或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)J1閉合一下隨即打開，看紅色指示燈是否會(huì)亮一段時(shí)間，然后自動(dòng)熄滅。在實(shí)際電路中，電路是控制交流燈泡的，這里采取了用紅色指示燈來代替的變通方法，一般來說只要虛擬仿真成功了，做成實(shí)物也就沒有大問題了（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；圖一是在MultisimIO軟件下做的仿真，讀者完全可以在Multi

15、sim7或“漢化特殊版Multisim8.3.30”軟件下實(shí)現(xiàn)）。RIRbRM0111ffIDIM)WkiIbiFT卜嗎,二帖=tlM01J1C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，如MG45-13型光敏電阻亮阻W5KQ;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5MQO既然知道了光敏電阻這一特性，我們就可以用兩個(gè)電阻來分別代替它進(jìn)行電路虛擬仿真。在圖1的運(yùn)放第9腳接一個(gè)5.1MQ電阻到地

16、，表示黑夜，接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閉合一下隨即打開，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成5.1KQ,表示白天，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？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和滅的，可以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)

17、直流電壓來代替仿真，效果是一樣的。Key - Spacer)i5八2N5444'Vb220 VfinS5。H工一0七：；圖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R5并聯(lián)到電阻R4上，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)，繼電器K2常閉觸點(diǎn)分開如圖6

18、所示，控制加熱器停止加熱（注：圖5和圖6是在Multisim7軟件下做的仿真人圖5：3kDhiu 5+ ':R9 ：1 二 1 :mgs*t- Ji&8k0hu 5iARS：IQE口 :K2：；：IMB1S1A0S圖6五、結(jié)束語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)，有許多傳感器或新器件，只要知道了它們的電特性或在電路中的作用，完全可以靈活采用變通的辦法代替進(jìn)行仿真，本來軟件就是進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的，并不一定非要用真實(shí)元件不可，這樣可以大大地拓寬電子仿真軟件MultiSIM的應(yīng)用范圍。再說用軟件仿真時(shí)不存在損壞和燒毀元件、儀器的問題，只要設(shè)計(jì)好了電路都

19、可以試一試，仿真成功了就可以進(jìn)行實(shí)際電路的組裝和調(diào)試，不成功再修改電路重新仿真。電子仿真技術(shù)MultiSIM軟件更新很快，不斷有新版本問世，一方面說明推出軟件的公司資源雄厚、精益求精、不懈努力、與時(shí)俱進(jìn)；另一方面，更說明了電子仿真技術(shù)MultiSIM市場看好、前途光明。特別是加拿大的IIT公司被美國國家儀器公司（NI公司）收購以后，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在Multisim9和MultisimIO版本中加強(qiáng)了LabVIEW技術(shù)，MCI仿真技術(shù)，VHDL仿真技術(shù)，VerilogHDL仿真技術(shù)，CommSIM仿真技術(shù)，UltiBOARD制版技術(shù)等內(nèi)容，使MultiSIM軟件性能更加先進(jìn)和實(shí)用，相信不久的將