引 言

差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時(shí)還能減小靜電引力給測(cè)量帶來的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差，因而在許多測(cè)量控制場(chǎng)合中，用到的電容式傳感器大多是差動(dòng)式電容傳感器。然而，電容式傳感器的電容值十分微小，必須借助信號(hào)調(diào)理電路，將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。目前，大多數(shù)電容式傳感器信號(hào)調(diào)理電路使用分立元件或者專門去開發(fā)專用集成電路(ASIC)。因?yàn)椴顒?dòng)電容式傳感器的電容量很小，傳感器的調(diào)理電路往往受到寄生電容和環(huán)境變化的影響而難以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；而由德國AMG公司開發(fā)的CAV424集成電路則能有效地減小這些影響所帶來的誤差，因而具有較大的應(yīng)用靈活性。

設(shè)計(jì)中的傾角傳感器是新型變質(zhì)面積電容式傾角傳感器。該傾角傳感器技術(shù)是為數(shù)不多的能夠兼有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點(diǎn)的傾角傳感器技術(shù)之一。在測(cè)量?jī)x器儀表、建筑機(jī)械、天線定位、機(jī)器人技術(shù)、汽車四輪定位等方面有廣泛應(yīng)用。

1  系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模塊框圖如圖1所示，主要由差動(dòng)電容、CAV424、運(yùn)放、單片機(jī)和顯示電路等組成。系統(tǒng)由差動(dòng)電容檢測(cè)到傾角傳感器安裝位置的傾斜角度，并把角度變化轉(zhuǎn)換成電容量變化。此差動(dòng)電容在一個(gè)增大的同時(shí)另一個(gè)減小，然后把兩個(gè)電容的變化值分別送入2片CAV424中，由2片CAV424把電容的變化值轉(zhuǎn)換成兩個(gè)不同的電壓值。這兩路電壓經(jīng)過差動(dòng)放大后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。最后由顯示電路顯示出被檢測(cè)對(duì)象的傾斜角度大小。由上述原理可知，被檢測(cè)對(duì)象的傾斜角度經(jīng)過了三級(jí)差動(dòng)處理，同時(shí)CAV424自帶有溫度傳感器。此傳感器的輸出信號(hào)又送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理。因而該系統(tǒng)具有較高的精度和靈敏度。

2 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)

2.1 差動(dòng)電容／電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

考慮到差動(dòng)電容的容量很小，傳感器的調(diào)理電路往往易受到寄生電容和環(huán)境變化的影響，因此采用德國AMG公司開發(fā)的CAV424作為差動(dòng)電容的信號(hào)調(diào)理電路。又因?yàn)閱纹珻AV424只能檢測(cè)到1個(gè)電容，因而采用2片CAV424來完成差動(dòng)電容的檢測(cè)。

（1）CAV424簡(jiǎn)介

CAV424是一個(gè)多用途的處理各種電容式傳感器信號(hào)的完整的轉(zhuǎn)換接口集成電路。它同時(shí)具有信號(hào)采集(相對(duì)電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測(cè)量出一個(gè)被測(cè)電容和參考電容的差值。在相對(duì)于參考電容值(10 pF~1nF)5％～100％的范圍內(nèi)，可以檢測(cè)0pF一2nF的電容值，且其輸出差分電壓最大可達(dá)士1．4 V；同時(shí)，CAV424還具有內(nèi)置溫度傳感器，可以直接給微處理器提供溫度信號(hào)用于溫度補(bǔ)償，從而簡(jiǎn)化整個(gè)傳感器系統(tǒng)，原理如圖2所示。

(2)CAV424的檢測(cè)原理

1個(gè)通過電容Cosc確定頻率的參考振蕩器驅(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。這2個(gè)積分器的振幅通過電容Cxl和Cx2確定(如圖2)。這里，Cxl作為參考電容，而Cx2作為被測(cè)電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比較2個(gè)振幅的差值得到的信號(hào)反映出2個(gè)電容Cxl和Cx2的相對(duì)變化量。該差分信號(hào)通過1個(gè)二級(jí)低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，并經(jīng)過輸出可調(diào)的差分級(jí)輸出。只要簡(jiǎn)單調(diào)整很少的元件，就可以改變低通濾波器的濾波常數(shù)和放大倍數(shù)。

參考振蕩器對(duì)外接的振蕩器電容Cosc和與它相關(guān)的內(nèi)部寄生電容Cosc，PAR，INT以及外接的寄生電容Cosc．PAR．EXT充電，然后放電。振蕩器的電容近似地取為Coc=1．6Cxl。參考振蕩器電流Iosc=VM／Rosc。實(shí)測(cè)振蕩器的輸出波形，即任一片CAV424的12腳輸出波形，如參考文獻(xiàn)[1]的圖2所示。

電容式積分器的工作方式與參考振蕩器的工作方式接近，區(qū)別在于前者放電時(shí)間是參考振蕩器的一半，其次前者的放電電壓被鉗制在一個(gè)內(nèi)部固定的電壓VCLAAMP上，實(shí)測(cè)2片CAV424的14腳和16腳(電容積分器的輸出電壓)，輸出波形可從參考文獻(xiàn)[1]中查找。

兩個(gè)積分器的輸出電壓經(jīng)內(nèi)部信號(hào)調(diào)理后的輸出，在理想狀況下應(yīng)為

VLPOUT=VDIFF+VM

其中差分信號(hào)VDIFF=3／8(Vcx1-Vx2)，VM為參考電壓。

（3)實(shí)際硬件電路及電路參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)際的差動(dòng)電容／電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

傾角傳感器放在水平位置時(shí)，差動(dòng)電容C10=C20=50pF，所以應(yīng)選CAV424的參考電容C11=C21=50pF，振蕩電容C12=C22=1.6C11=80pF，低通濾波電容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，穩(wěn)定參考電壓VM的電容負(fù)載C15=C25=100 nF，電流調(diào)整電阻R11=R12=R21
=R22=500kΩ。參考振蕩器電流設(shè)定電阻R13=R23=250kΩ。為了調(diào)整VLPOUT，把輸出級(jí)電阻均調(diào)整為100kΩ的電位器。另外，為了提高電路的穩(wěn)定性，在CAV424的引腳4和地之間接了10nF的電容C16和C26。

2. 2運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)

運(yùn)放電路用來合成和放大2片CAV424輸出的電壓信號(hào)，使其轉(zhuǎn)換為易被單片機(jī)處理的O～5V直流電壓。若按一般設(shè)計(jì)原則，這里應(yīng)選用儀用放大器；但考慮到儀用放大器成本較高，而且由于前級(jí)使用了兩片CAV424，其輸出電壓已經(jīng)較高，所以這里選用了性價(jià)比較高的四運(yùn)放TL084作為信號(hào)調(diào)理電路。實(shí)驗(yàn)表明其精度完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。考慮到后級(jí)電路的簡(jiǎn)易性，這里采用兩級(jí)運(yùn)放。第一級(jí)用兩片CAV424的VLPOUT分別作為運(yùn)放的正反相輸入，使傾角傳感器在±90°變化時(shí)，Vol輸出為±2.5V，用2片CV424的任一VM端作為第二級(jí)運(yùn)放的同相輸入端，使V02輸出電壓為0～5V。然后，再把此信號(hào)作為單片機(jī)的模擬輸入信號(hào)，實(shí)際電路如圖4所示。

這里，選取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10 kΩ，Rf1=Rp1=100 kΩ，則

Uol=Rfl/R1(Vlpoutl-Vlpout2)  (1)
Uo=VM-Uol(2)

把式(1)代入式(2)，可得Uo=VM+Rf1／R1(Vlpout1-Vlpout2)；同時(shí)，調(diào)整Rf2和Rp1，使傾角傳感器在±90°內(nèi)變化時(shí)，Uo在0～5V內(nèi)變化。

2．3單片機(jī)及其顯示系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)

考慮到運(yùn)算放大器輸出的是0～5V模擬電壓信號(hào)，同時(shí)CAV424的溫度傳感器輸出也是模擬電壓信號(hào)，一般單片機(jī)無法直接處理，因此這里選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F872作為系統(tǒng)的微處理器。它除了具有一般PIC系列單片機(jī)的精簡(jiǎn)指令集(RISC，Reduced Instruetion Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)等特征外，還自帶有5個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換部件，2K×14位的Flash存儲(chǔ)器，為開發(fā)系統(tǒng)提供了極大的方便。

另外，考慮到傾角傳感器既要顯示傾斜角度的大小，又要顯示角度的正負(fù)，同時(shí)考慮到編程方便和傾角傳感器的顯示精度問題，本設(shè)計(jì)選用HD7279作為8段數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路，用以顯示傾角的大小及正負(fù)。

這部分的設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

(2)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括A／D轉(zhuǎn)換、工程量轉(zhuǎn)換和顯示等幾部分。主程序流程如圖6所示。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，該傾角傳感器的測(cè)量精度及靈敏度均達(dá)預(yù)期要求。該設(shè)計(jì)是一個(gè)通用型模塊，把傾角傳感器的差動(dòng)電容換成其他的差動(dòng)電容式傳感器，就可以進(jìn)行振動(dòng)、加速度、差壓、液面等基于差動(dòng)電容原理的精確測(cè)量，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有很大的應(yīng)用價(jià)值。