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(duì)差動(dòng)電容信號(hào)的檢測(cè)至關(guān)重要。文中提出基于CAV424電容檢測(cè)芯片作為前置檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了電容壓力傳感器測(cè)量電路。該電路具有穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，且通過(guò)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。
引言
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(cè)及轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路容易處理的信號(hào)至關(guān)重要。文中將采用一款電容專用檢測(cè)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(cè)量原理
CAV424是專門(mén)用于電容檢測(cè)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。
圖1CAV424工作原理圖及外圍連接圖
由圖1可知，通過(guò)電容Cosc調(diào)整參考振蕩器的頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)構(gòu)造對(duì)稱的積分器并使它們?cè)跁r(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(lái)決定，這里CX1作參考電容，CX2作為測(cè)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(guò)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(guò)整流和濾波得到的一個(gè)直流電壓信號(hào)就是零。如果測(cè)量CX2電容改變了△CX2,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(cè)量輸出
根據(jù)CAV424工作原理及外圍電路連接圖，可得測(cè)量輸出表達(dá)式：
這里取ICX1=ICX2=IC,所以輸出表達(dá)式(1)可簡(jiǎn)化為：
式中：
VM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(cè)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(cè)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。
圖2系統(tǒng)框圖。
CAV424檢測(cè)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(cè)的電壓信號(hào)。差動(dòng)式壓力傳感器的低壓端連接CX1參考電容端，高壓端連接CX2被測(cè)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(cè)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(jiǎn)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CX1參和CX2表達(dá)式：
因此可得式(2)最終表達(dá)式：
式中：ε為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S為兩極板相對(duì)有效面積;δ為兩極板的間隙。
因此，在小位移情況下，外加壓力和△δ成比例關(guān)系，可見(jiàn)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(cè)轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。
圖3CAV424檢測(cè)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25~35V之間，滿足單片處理信號(hào)的要求。顯示器件選用LCM046液晶模塊，其功耗低，工作電流只有μA級(jí)，并且其與處理器連接簡(jiǎn)單。連接圖如圖4所示。
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)電容值的變化范圍，Cosc這里取82pF,則fOSC=29.036kHz;GLP=1+RL1/RL2中的RL1,RL2分別取300Ω和100Ω,這樣使得CAV424輸出的電壓范圍在25~375V,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(cè)試對(duì)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(cè)得常溫下數(shù)據(jù)如表1、表2所示。
表1130Pa對(duì)應(yīng)輸出電壓值
表210MPa對(duì)應(yīng)輸出電壓值
從表1、表2可以看出實(shí)際測(cè)量值與理論值差值范圍在000147~00003,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(cè)量電路檢測(cè)前端是可行的，有很好的實(shí)用性。