电容电压转换

基于V4的电容式压力传感器测量电路设计摘要: 随着差动式硅电容传感器广泛应用于各行各业中, 对差动电容信号的检测至关重要。文中提出基于V2电容检测芯片作为前置检测单元， 实现了电容压力传感器测量电路。该电路具有稳定性好，抗干扰性强， 且通过非线性补偿有良好的线性。实验成果表白, 实际电路与理论分析具有良好的一致性。 0 引言硅电容压力传感器是运用硅基材料,应用电容原理， 采用MEMS工艺制作的一类新型压力传感器。因其具有稳定性好, 非线性和可靠性优越的性能被广泛用于工业控制和测量领域。但是差动电容式压力传感器的输出差动电容信号一般都非常单薄， 因此， 如何将微小电容变化量检测及转换为后续电路容易解决的信号至关重要。目前, 比较常用的检测调理电路如谐振法、振荡法、开关电容法、AC 电桥法、运算放大器检测法等。这些调理电路都是采用分离元件设计而成的, 而文中将采用一款电容专用检测转换芯片CAV424作为调理电路的核心部件。实验表白该电路稳定性高，功耗低， 且非线性度在02 1, 非常适合使用干电池供电的仪表仪器。 1 CAV424工作原理 1. 1 测量原理 AV424是专门用于电容检测转换的集成芯片, 其工作原理图及外围连接图如图所示。图1 CAV424工作原理图及外围连接图 由图1可知, 通过电容 sc调节参照振荡器的频率来驱动2个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。个被控制的积分器的振幅分别由电容C X1和C 2来决定，这里C X作参照电容,CX2作为测量电容。由于积分器具有很高的共模克制比和辨别率，因此2个振幅的差值所提供的信号就反映出2个电容C X和C X2的差值。这个电压差值通过背面的有源滤波器滤波为直流电源信号(整流效应）， 然后送到可调的放大器， 调节L 1和RL 的值,可得到所需要的输出电压值。如果2 个电容C 1和CX值相似, 那么通过整流和滤波得到的一种直流电压信号就是零。如果测量C X2电容变化了C 2,那么得到的输出电压与之是成正比的。如果2个电容 X1和 X2值不相似,那么当C 2 0时, 在输出端得到的是一种偏置值, 它始终是叠加在直流电压信号上的。1.2 测量输出 根据CA24工作原理及外围电路连接图, 可得测量输出体现式： 这里取CX ICX= IC, 因此输出体现式（ 1)可简化为： 式中:VM为参照电压2 5V； I 为2个积分器的充电电流， 这里取常数5 A；fOS为参照振荡器频率范畴， 其由被测电容的最小值决定。 2硬件电路及软件设计 2. 系统设计该系统重要以CAV424检测芯片和微解决器控制模块为核心， 此外尚有输出显示模块以及电源模块等。系统框图如图所示。图2 系统框图。 CAV4检测芯片在系统中重要任务是将传感器的差动电容信号转换为可测的电压信号。差动式压力传感器的低压端连接CX参照电容端， 高压端连接C X被测电容端,这样连接可以保证输出电压始终为正。 2 2 电容检测电路设计 根据硅电容压力传感器核心器件可当作由中心可动电极和两边的固定电极构成的2个可变电容, 其敏感电容可以简朴地觉得是平板电容， 而平板电容公式为: 并且将C 参连接到差压的高压端,CX2连接到低压端。由此可得 X参和C X2体现式: 因此可得式( 2) 最后体现式:式中:为两极板间介质的介电常数； S为两极板相对有效面积; 为两极板的间隙。 因此， 在小位移状况下， 外加压力和成比例关系， 可见电容的倒数差与输入压力成线性关系。因此文中将CAV24的CX1作为参照电容端连接到差压的高压端是合适的， 这样的线性关系减少了系统误差的影响， 提高了系统的可靠性和精确性。CAV4检测转换原理如图3所示。图3 CAV42检测原理图 .3控制及显示电路设计控制显示电路以单片机为核心，选用PIC16F877单片机为控制器, 其内部具有1位高精度A D转化器,可以直接解决模拟电压， 调节AV424的GL ,可以使输出电压范畴在 5 3之间, 满足单片解决信号的规定。显示屏件选用C 04液晶模块, 其功耗低， 工作电流只有A级， 并且其与解决器连接简朴。连接图如图4所示。图 液晶连接图.4 软件设计软件设计重要涉及 /转换程序和LCM 046 数据显示两部分。此外尚有非线性补偿部分， 在线性不好的状况下可以采用插值法进行必要的线性补偿。软件流程图设计如图5、图6、图所示。 3 实验与成果分析 实验中差动式电容传感器的低压端连接CAV424的C 管脚,高压端连接 X1管脚。根据差动电容值的变化范畴, sc这里取8 pF, 则fSC =29. 36 z;GLP= +RL1/RL2中的RL1, L2分别取30 和10, 这样使得CAV24输出的电压范畴在25 75V， 在AD 模拟输入范畴内。实验中选用两种量程的电容传感器作为实验的测试对象, 分别是1 P 和10M Pa两种。在实验环境相似状况下， 实验测得常温下数据如表1、表2 所示。表1 P相应输出电压值表2 10a相应输出电压值 从表1、表可以看出实际测量值与理论值差值范畴在0 001 7 000, 误差不不小于0%, 且线性也比较抱负。整体性能符合实际规定， 因此运用1片V44作为测量电路检测前端是可行的, 有较好的实用性。在C44的电路中还集成了一种温度传感器，它可以直接给微解决器提供温度信号可用于温度补偿，从而简化了整个传感器系统。电容量测电路如图一15:由于CA424是差动输出，经放大器NA01转化为单端电压输出。具体简介了用 CA41和 AM40二个电路得到三线制电流输出( 4 至20mA )的措施和它的测试电路板。电子仿真软件MultiSM使用措施及技巧发布:05-17 |作者: | 来源: meglofei 查看:1042次| 顾客关注：电子仿真软件MultiIM最初由加拿大的IT公司推出，从Multsim开始到后来的Multism7和Multisim8止；Mutism9到目前的Multim1版本,已改由美国国家仪器公司(I公司)所推出。Multsim版本每次升级，软件功能均有相应的提高，但它们的操作措施和电子电路虚拟仿真这一块内容几乎没有太大的变化。也就是说,读者只要掌握和学会了Mulii7软件的使用措施,其他的版本也就触类旁通了。软件更新快，读者也不一定要一味去赶时髦,电子仿真软件tiSM最初由加拿大的IT公司推出，从Mltism开始到后来的ulisi7和ultis8止;ultisim9到目前的Multii0版本,已改由美国国家仪器公司(N公司)所推出。Mlii版本每次升级，软件功能均有相应的提高，但它们的操作措施和电子电路虚拟仿真这一块内容几乎没有太大的变化。也就是说，读者只要掌握和学会了Multism7软件的使用措施,其他的版本也就触类旁通了。软件更新快，读者也不一定要一味去赶时髦,这要看你用软件做什么内容来决定，如果是初学者和一般电子电路虚拟仿真，学会和掌握uliim软件的使用措施已足够。一是上手快,二是获得软件容易。固然，读者要进一步提高,要学abVIW技术,要学单片机仿真,要学UltiBoard制版,那固然需要安装ltis9或Mutisi1版本了，但目前简介这方面的专业书籍资料不太多,且新版本软件刚推出时不易得到、存在不够稳定等缺陷；再说LaVEW技术也不像电子电路仿真那样容易学会,它是属于构建虚拟仪器技术范畴；至于单片机仿真,软件目前只合用汇编语言，不能用C语言编程；且模块也仅有81和两种,单片机仿真技术方面还不是太抱负,有待于版本进一步升级和提高。 电子仿真软件ultIM的元件库中虽然收集了大量的常用电子元件,供读者调用搭建电路进行虚拟仿真，但有些读者有时用到的电子元件,MultSIM的元件库中没有怎么办？下面就这个话题谈谈自己的某些解决措施，或许对读者有某些启发。一、没有“热释电人体红外传感器”怎么办？“热释电人体红外传感器”是一种新产品，电子仿真软件MutiSIM的元件库中没有。我们懂得“热释电人体红外传感器”是一种能接受人体发出的单薄红外线，然后将它转换成单薄电信号的一种器件。既然我们懂得了它的工作机理,很简朴,我们可以用一种开关来替代它。将开关和电源连在一起,开关打开时表达电路没有接受到信号；开关闭合一下随后打开，表达电路已接受到人体走动的红外线信号，并已转换成电信号被接受，电路会动作,或控制的节能灯亮了，或控制的继电器闭合了等。图一是“热释电人体红外感应节能灯”的虚拟仿真电路，读者可以去试一下,开关1闭合一下随后打开，看红色批示灯与否会亮一段时间,然后自动熄灭。在实际电路中，电路是控制交流灯泡的,这里采用了用红色批示灯来替代的变通措施,一般来说只要虚拟仿真成功了,做成实物也就没有大问题了(注：图中电阻R是为了仿真时红色批示灯发光稳定添加的，实际电路可以不用;图一是在ultisim1软件下做的仿真，读者完全可以在Muls7或“汉化特殊版Multii8.3.0”软件下实现)。图二、没有“光敏电阻”怎么办？ 同样地，电子仿真软件MultiSM的元件库中也找不到光敏电阻。例如图一的实际节能灯电路,规定天黑后来工作，白天不工作。这时在实际电路中就需要接上光敏电阻，光敏电阻接受到光照时,阻值减少，如MG45-13型光敏电阻亮阻K;相反，光敏电阻在黑暗中时，阻值升高,如MG45-13型光敏电阻暗阻5M。既然懂得了光敏电阻这一特性，我们就可以用两个电阻来分别替代它进行电路虚拟仿真。在图1的运放第9脚接一种5.1M电阻到地,表达黑夜,接在此处的光敏电阻对原电路仿真没有任何影响,即开关J1闭合一下随后打开，红色批示灯会亮一段时间,然后自动熄灭;将接在此处的电阻换成51K，表达白天,则开关J1闭合后红色批示灯始终不会亮。三、如何对双向晶闸管控制交流灯泡进行虚拟仿真? 上述节能灯电路实际应用时,是用双向晶闸管来控制交流灯泡的亮和灭的,可以在电子仿真软件中搭建如图2所示虚拟仿真电路。先用“+0V”电源控制交流灯泡X的发光如图所示；再用“1V”电源控制交流灯泡X的发光如图4所示。以上虚拟仿真成果,实现了用双向晶闸管来控制交流灯泡发光的实验验证。事实上,双向二极管是受交流电的正、负半周电压控制的,这里也可用正、负直流电压来替代仿真,效果是同样的。图2图3图4四、没有“热敏电阻”怎么办？ 同样地,电子仿真软件MltiI的元件库中也找不到热敏电阻。热敏电阻特性和光敏电阻相似,有负温度系数和正温度系数之分,如图5所示为一用负温度系数电阻控制电路，图中以一般电阻R替代热敏电阻，打开仿真开关，当温度正常时，晶体管不工作,继电器K2常闭触点吸合,控制加热器加热；假设温度升高,负温度系数热敏电阻阻值减小,我们再用一种一般电阻5并联到电阻R4上，模拟负温度系数热敏电阻阻值减小，这时再打开仿真开关,继电器2常闭触点分开如图6所示，控制加热器停止加热（注:图5和图是在Mulisi软件下做的仿真)。图5图6五、结束语以上所列例子都阐明了，在应用电子仿真软件MtSIM进行虚拟仿真时，有许多传感器或新器件，只要懂得了它们的电特性或在电路中的作用,完全可以灵活采用变通的措施替代进行仿真，本来软件就是进行虚拟实验的，并不一定非要用真实元件不可，这样可以大大地拓宽电子仿真软件MultiSIM的应用范畴。再说用软件仿真时不存在损坏和烧毁元件、仪器的问题,只要设计好了电路都可以试一试,仿真成功了就可以进行实际电路的组装和调试，不成功再修改电路重新仿真。 电子仿真技术MultiM软件更新不久，不断有新版本问世，一方面阐明推出软件的公司资源雄厚、精益求精、不懈努力、与时俱进；另一方面，更阐明了电子仿真技术MtI市场看好、前程光明。特别是加拿大的II公司被美国国家仪器公司(NI公司)收购后来，实现了强强联合,在ultis9和Muisim1版本中加强了LaVIEW技术,MU仿真技术,VHDL仿真技术，eog HDL仿真技术，CommSI 仿真技术，UltiBR制版技术等内容,使MulSIM软件性能更加先进和实用，相信不久的将来，MultiSI技术会在国内受到广大电子工作者的爱慕，应用会越来越广泛。