电容电压转换

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1、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

2、常微弱，因此，如何将微小电容变化量检测及转换为后续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。图1CAV424工作原理图及外围连接图　　

3、由图1可知，通过电容Cosc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

4、变了△CX2,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：　　这里取ICX1=ICX2=IC,所以输出表达式（1）可简化为：　　式中：　　VM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CAV424检测芯片和微处理器控制模块为核

5、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。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CX1参考电容端，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CX1参和CX2表达式：　　因此可得式（2）

6、最终表达式：式中：ε为两极板间介质的介电常数；S为两极板相对有效面积；δ为两极板的间隙。　因此，在小位移情况下，外加压力和△δ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。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PIC16F877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

7、的GLP,可以使输出电压范围在25~35V之间，满足单片处理信号的要求。显示器件选用LCM046液晶模块，其功耗低，工作电流只有μA级，并且其与处理器连接简单。连接图如图4所示。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范围，Cosc这里取82pF,则fOSC

8、=29.036kHz;GLP=1+RL1/RL2中的RL1,RL2分别取300Ω 和100 Ω,这样使得CAV424输出的电压范围在25~375V,在ADC模拟输入范围内。试验中