电容电压转换基于 CAV424 的电容式压力传感器测量电力设计

1、电容电压转换基于CAV424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CAV424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。实验结果表明，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利用硅基材料，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通常都非常微弱，因此，如何将微小电容变化量检测及转换为后续

2、电路容易处理的信号至关重要。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元件设计而电桥法、运算放大器检测法等。这些调理电路都是采用分离成的，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。实验表明该电路稳定性高，功耗低，且非线性度在02%01%,非常适合使用干电池供电的仪表仪器。1CAV424工作原理1.1测量原理CAV424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1所示VTEMP RCxi/?G>sr< AV424温度传感器I参考振荡器I. < 参考电流源1|一1_> 积分器i>积分器2GNDCu图

3、1CAV424工作原理图及外围连接图由图1可知，通过电容C"调整参考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。2个被控制的积分器的振幅分别由电容CX1和CX2来决定，这里CX1作参考电容，CX2作为测量电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以2个振幅的差值所提供的信号就反映出2个电容CX1和CX2的差值。这个电压差值通过后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，调整RL1和RL2的值，可得到所需要的输出电压值。如果2个电容CX1和CX2值相同，那么经过整流和滤波得到的一个直流电压信号就是零。如果测量CX2电容改变了CX2,

4、那么得到的输出电压与之是成正比的。如果2个电容CX1和CX2值不相同，那么当CX2=0时，在输出端得到的是一个偏置值，它始终是叠加在直流电压信号上的。1.2测量输出根据CAV424工作原理及外围电路连接图，可得测量输出表达式：VXV+C(V-VJ皿IVLP8工,12I(lr?3fl)MLPg这里取1CX1=ICX2=IC,所以输出表达式(1)可简化为：yt二匕十Q-*1*_L36not.MLtJfI1(2)式中：1+趴RL2Vm为参考电压25V;Ic为2个积分器的充电电流，这里取常数5A;fosc为参考振荡器频率范围，其由被测电容的最小值决定。2硬件电路及软件设计2.1系统设计该系统主要以CA

5、V424检测芯片和微处理器控制模块为核心，另外还有输出显示模块以及电源模块等。系统框图如图2所示。检渊转J控制处数据显换模块1理模块示输出电源模块图2系统框图CAV424检测芯片在系统中主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Cxi参考电容端，高压端连接CX2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看成由中心可动电极和两边的固定电极组成的2个可变电容，其敏感电容可以简单地认为是平板电容，而平板电容公式为：并且将CX1参连接到差压的高压端，CX2连接到低压端。由此可得CXI参和CX2表达式：因此

6、可得式（2）最终表达式I3f12a。3)116/(LS(:,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；3为两极板的间隙。因此，在小位移情况下，外加压力和3成比例关系，可见电容的倒数差与输入压力成线性关系。所以文中将CAV424的CX1作为参考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准确性。CAV424检测转换原理如图3所示。nC+GNDk I JotcncuKCAV424VM v( vrL! < H i6 一fi：R T图3CAV424检测原理图2.3 控制及显示电路设计控制显示电路以单片机为核心，选用PIC16

7、F877单片机为控制器，其内部含有10位高精度A/D转化器，能够直接处理模拟电压，调整CAV424的GLP,可以使输出电压范围在2535V之间，满足单片处理信号的要求。显示器件选用LCM 046液晶模块，其功耗低，工作电流只有级，并且其与处理器连接简单连接图如图4所示。PKI6I图4液晶连接图2.4 软件设计软件设计主要包括A/D转换程序和LCM046数据显示两部分。另外还有非线性补偿部分，在线性不好的情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7所示3实验与结果分析试验中差动式电容传感器的低压端连接CAV424的CX2管脚，高压端连接CX1管脚。根据差动电容值的变化

8、范围，C，这里取82pF,贝口fosc=29.036kH乙GLP=1+RL1/RL2中的RL1,RL2分别取300Q和100Q，这样使得CAV424输出的电压范围在25375V,在ADC模拟输入范围内。试验中选取两种量程的电容传感器作为实验的测试对象，分别是130Pa和10MPa两种。在实验环境相同情况下，实验测得常温下数据如表1、表2所示。表1130Pa对应输出电压值压力/PaCV2/pF理论电压ZV实际值/V051-84426X3.(134683-035125257.7844563.16314116228KH65.574&893.171993.17257130九445L363-18

9、09()3.18065表210MPa对应输出电压值压力MPa缶时4吐理论电压/V实际值/V051.5042382998512.99797457?9947.013?020183-020151()(W.905L473?16158M16011从表1、表2可以看出实际测量值与理论值差值范围在00014700003,误差小于02%,且线性也比较理想。整体性能符合实际要求，因此利用1片CAV424作为测量电路检测前端是可行的，有很好的实用性。在CAV424I的电路中还集成了一个温度传感器，它可以直接给微处理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415:由于CAV424是差

10、动输出）经放大器INA101转化为单端电压输出。详细介绍了用CAV414和AM402二个电路得到三线制电流输出（0/4至20mA）的方法和它的测试电路板电子仿真软件MultiSIM使用方法及技巧发布：2011-05-17|作者：|来源：menglongfei|查看：1042次|用户关注:电子仿真软件MultiSIM最初由加拿大的IIT公司推出，从Multisim2001开始到后来的Multisim7和Multisim8止；Multisim9至U目前的Multisim10版本，已改由美国国家仪器公司（NI公司）所推出。Multisim版本每次升级，软件功能都有相应的提高，但它们的操作方法和电子电

11、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Multisim7软件的使用方法，其它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MultiSIM最初由加拿大的IIT公司推出，从Multisim2001开始到后来的Multisim7和Multisim8止；Multisim9到目前的Multisim10版本，已改由美国国家仪器公司（NI公司）所推出。Multisim版本每次升级，软件功能都有相应的提高，但它们的操作方法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Multisim7软件的使用方法，其它的版本也就触

12、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Multisim7软件的使用方法已足够。一是上手快，二是获得软件容易。当然，读者要进一步提高，要学LabVIEW技术，要学单片机仿真，要学UltiBoard制版，那当然需要安装Multisim9或Multisim10版本了，但目前介绍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、存在不够稳定等缺点；再说LabVIEW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，软件目前只适用汇编语言，不能用C语言编程；且模块也仅有805

13、1和8052两种，单片机仿真技术方面还不是太理想，有待于版本进一步升级和提高。电子仿真软件MultiSIM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，MultiSIM的元件库中没有怎么办？下面就这个话题谈谈自己的一些处理方法，或许对读者有一些启发。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MultiSIM的元件库中没有。我们知道“热释电人体红外传感器”是一种能接收人体发出的微弱红外线，然后将它转换成微弱电信号的一种器件。既然我们知道了它的工作机理，很简单，我们可以用一个开关来代替它。将开关

14、和电源连在一起，开关打开时表示电路没有接收到信号；开关闭合一下随即打开，表示电路已接收到人体走动的红外线信号，并已转换成电信号被接收，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J1闭合一下随即打开，看红色指示灯是否会亮一段时间，然后自动熄灭。在实际电路中，电路是控制交流灯泡的，这里采取了用红色指示灯来代替的变通方法，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R19是为了仿真时红色指示灯发光稳定添加的，实际电路可以不用；图一是在MultisimIO软件下做的仿真，读者完全可以在Multi

15、sim7或“汉化特殊版Multisim8.3.30”软件下实现）。RIRbRM0111ffIDIM)WkiIbiFT卜吗,二帖=tlM01J1C图1二、没有“光敏电阻”怎么办？同样地，电子仿真软件MultiSIM的元件库中也找不到光敏电阻。比如图一的实际节能灯电路，要求天黑以后工作，白天不工作。这时在实际电路中就需要接上光敏电阻，光敏电阻接收到光照时，阻值降低，如MG45-13型光敏电阻亮阻W5KQ;相反，光敏电阻在黑暗中时，阻值升高，女口MG45-13型光敏电阻暗阻5MQO既然知道了光敏电阻这一特性，我们就可以用两个电阻来分别代替它进行电路虚拟仿真。在图1的运放第9脚接一个5.1MQ电阻到地

16、，表示黑夜，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闭合一下随即打开，红色指示灯会亮一段时间，然后自动熄灭；将接在此处的电阻换成5.1KQ,表示白天，则开关J1闭合后红色指示灯始终不会亮。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“+10V电源控制交流灯泡X1的发光如图3所示；再用“-10V电源控制交流灯泡X1的发光如图4所示。以上虚拟仿真结果，实现了用双向晶闸管来控制交流灯泡发光的实验验证。实际上，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

17、直流电压来代替仿真，效果是一样的。Key - Spacer)i5八2N5444'Vb220 VfinS5。H工一0七：；图4四、没有“热敏电阻”怎么办?同样地，电子仿真软件MultiSIM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，图中以普通电阻R4代替热敏电阻，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，我们再用一个普通电阻R5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K2常闭触点分开如图6

18、所示，控制加热器停止加热（注：图5和图6是在Multisim7软件下做的仿真人图5：3kDhiu 5+ ':R9 ：1 二 1 :mgs*t- Ji&8k0hu 5iARS：IQE口 :K2：；：IMB1S1A0S图6五、结束语以上所列例子都说明了，在应用电子仿真软件MultiSIM进行虚拟仿真时，有许多传感器或新器件，只要知道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办法代替进行仿真，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的应用范围。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

19、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MultiSIM软件更新很快，不断有新版本问世，一方面说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，更说明了电子仿真技术MultiSIM市场看好、前途光明。特别是加拿大的IIT公司被美国国家仪器公司（NI公司）收购以后，实现了强强联合，在Multisim9和MultisimIO版本中加强了LabVIEW技术，MCI仿真技术，VHDL仿真技术，VerilogHDL仿真技术，CommSIM仿真技术，UltiBOARD制版技术等内容，使MultiSIM软件性能更加先进和实用，相信不久的将