用于电容传感器信号转换的集成电路CAV424
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5 % ～ 100 % 的变化电容值 , 比如 C X 1 取值范围为 10 p F～1 nF , 则可测 C X 2 的范围为 0 ～ 10. 5 p F 到 0 ～ 2 nF 。 CAV424 的 参 考 振 荡 器 : 对 外 接 的 振 荡 器 电 容
COSC 和集成电路内部的附加电容 COSC ,PAR , IN T ( 比如电
V CLAMP 上 。 图 4 是电容 C X 1 和 C X 2 的充放电曲线情况 。
1 π ・R 0 ・f C 2
经过低通滤波器的信号输出在理想状况下应为 :
V L POU T = V D IFF ,0 + V M
式中 : V D IFF ,0 =
来自百度文库3 ( VC - VC ) X X 8 1 2
图5 CAV424 的温度特性曲线
31211 CAV 424 直接与 A/ D 转换电路或微处理器相连 CAV424 直接与一个 A/ D 转换电路或微处理器
相连接 ,就可以构成一个完整的高精度的数字化输出 的传感器测量系统 ,见图 6 。
理后再转换成所希望的工业用标准输出或直接的数字 信号输出 。另外一种信号处理系统称为模拟传感器信 号处理系统 ,可克服数字信号系统的量子噪声 ,并大大 降低成本 , 见图 8 。一个微处理器将反馈的修正信号 直接输入到电路 CAV424 中去 , 比如测量电容或参考 电容电路中 。选择一个价格低廉 、 小型的微处理器比 如 At mel 公司的 A Ttiny15 ,就可以将传感器信号进行 数字 化 线 性 修 正 和 温 度 补 偿 , 此 时 可 以 直 接 利 用 CAV424 中集成的温度传感器所提供的温度信号 。在
式中 : C X 1 是参考电容值 。 参考振荡器电流 I OSC 由外接电阻 R OSC 和参考电 压 V M 来确定
[2 ]
差分电压 V CX ,D IFF 通过一个二级低通滤波器滤 波。 二级滤波器的 3 dB - 角频率 f C1 和 f C2 由外接电容 Ω) CL 1 和 CL 2 以及内部的电阻 R 01 和 R 02 ( 典型值 20 k 来确定 。 3dB - 角频率 f C1 和 f C2 与参考振荡器的频率
外接电容 CL 与角频率 f C 由下式表示 :
CL =
式中 :Δ V OSC是参考振荡器的峰谷电压差 ,它由内部电 阻来确定 ,数值为 2. 1 V ,见图 3 。 电容式积分器的工作方式与参考振荡器接近 , 区 别在于它的放电时间是参考振荡器充电时间的一半 , 其次它的放 电 电 压 被 钳 制 在 一 个 内 部 固 定 的 电 压
图6 工业用二线制 4～20 mA 输出
(1) CAV424 的输出信号是具有较大动态范围的
差分信号达Δ V D IFF = 2. 8 V . 许多微处理器或 A/ D 转 换电 路 都 带 有 差 分 模 拟 量 输 入 端 , 可 以 直 接 与 CAV424 相连 。 (2) CAV424 的输出信号与工作电压是成比例变 化的 ,因此该种输出方式特别适合汽车控制系统的要 求 。比如电容式压力传感器和用于车厢内部湿度测量
图 4 积分器电压输出
电容式积分器的电流 I CX 是由外接电阻 R CX 和参 考电压 V M 来确定 :
I CX = VM R CX
电容 C X 充电至最大值 V CX ,它由下式给出 :
V CX = I CX
2 ・f OSC ・( C X + C X ,PAR , IN T + C X ,PAR , EXT)
第1期
・ 元器件与应用・
41
图 3 参考振荡器电压输出 图2 CAV424 电路结构和应用电路图
311 CAV424 电容信号检测原理 CAV424 工作原理 : 一个由电容 COSC 确定频率的
参考振荡器控制着 2 个相位恒定和周期相同的对称构 造的积分器 。 这 2 个积分器的振幅通过电容 C X 1 和 C X 2 来确定 , 这里 C X 1 作为参考电容器 ( 有时也可作为测量 电容器) C X 2 作为测量电容器 。 比较二个积分器的电压 振幅差值就可以给出电容 C X 1 和 C X 2 的相对电容变化 差值 。 该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直 流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出 。 只要简单调整很少的元件就可改变低通滤波器的滤波 常数和放大倍数 。 该测量电路可测出与参考电容值的
40
仪表技术与传感器
2003 年
用于电容传感器信号转换的集成电路 CAV424
Torg Stecker , Helmut Kremer ( 德国 AM G 公司 ,德国 美茵茨)
摘要 : 文中介绍了测量电容式传感器电容的一般方法 ,并针对 AM G 公司开发的电容式信号转 换成电压信号的集成电路 CAV424 作了应用性介绍 。 关键词 :电容式传感器 ; 电容式积分器 ; 差分电容测量 ; 微处理器 中图分类号 : TM936 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1841 ( 2003) 01 - 0001 - 04 之内 ,并对电容测量头的极板外用一个保护环屏蔽电 1 引言 场 ,这样的电容位移传感器的电容变化值与距离就有 在测量控制场合中经常需要将电容式信号转换成 较好的线性关系 。在有压力或加速度变化的时候 , 电 电压或电流信号 。目前大多数是使用分立元件或者专 容极板距离也会发生变化 , 上述的差分电容测量方法 门去开发专用的集成电路 ( CSICs) 。考虑到各种电容 同样也适用于电容式压力传感器 、 加速度传感器和角 式传感器信号的检测和使用范围 , 由德国 AM G 公司 开发的 CAV424 集成电路则具有较大的应用灵活性 。 度传感器等 。图 1 显示了一个电容式压力传感器的传 文中简要介绍了 CAV424 的原理和使用方法 。
f osc 和检测的速度 f DET 必须满足下式 : f DET < f C ν f OSC
:
I OSC = VM R OSC I OSC
参考振荡器的频率 f OSC是 :
f OSC =
Δ V OSC ・( COSC + COSC ,PAR , IN T + COSC ,PAR , EXT) 2・
( 1) 直接应用 ( 简单和价格低廉) ; ( 2) 可以与 AD 转换电路或微处理器直接相连 ( 汽
板面积 ; d 为 极板距离 。 电容值是通过距离 、 面积或相对介电常数的变化 而变化 。比如测量一个平板电容器的电容值 , 它已含 有某种介电常数的介质 , 与一个已知介电常数的参考 平板电容器的电容值相比较 , 就可以用来区分不同的 介质材料 。这种方法常在液位仪或材料区分中加以应 用 。由于水有较大的介电常数 , 常会影响亲水性的介 质测定 ,但可以用于电容式湿度传感器的湿度测量 。 如果电容极板的面积 A 发生变化 ,通过差分电容的测 量方法 ,就可以辨别不同的物体或不同的形状 。如果 是极板距离发生变化 , 通过该方法可以检测距离 。电 容式位移传感器就是这样的 。在一个较小的测量距离
GL P = 1 + RL 1 RL 2
此时经过低通滤波器的输出信号为 :
V L POU T = V D IFF + V M
的湿度传感器等 。 ( 3) CAV424 内部集成了一个温度传感器 ,可以直 接提供给微处理器作温度补偿信号 。 31212 工业用二线制 4～20 mA 输出 CAV424 与集成电路 AM402 一起就可以组成工 业上常用的二线制或三线制 4 ～ 20 mA 输出 , 见图 7 。 CAV424 的工作电压直接来自 AM402 的参考恒压源 5 V ,AM402 电路所具有的极性保护和短路保护在该 系统中同样具备 。
C = d
- 12
递函数曲线和线性情况 。该传感器的电容值变化已经 由处理电容信号的集成电路转换成电压信号了 。
=
d
图1 经信号转换的一个电容式压力传感器的传递函数与线性情况
式中 : ε 10 0 = 8 . 854 ×
;ε r 为相对介电常数 ; A 为极
3 集成化的电容信号转换电路
德国 AM G 公司开发了一系列用于电容信号的转 换、 放大以及标准化输出的集成电路 , 比如 CAN404 、 CAV414 和 CAV424 。图 2 是 CAV424 的 电 路 原 理 图 。它含有完整的电容信号采集 、 转换和标准化输出 的电路 。它可以输出最大幅值达 2. 8 V ( 差分信号 V D IFF) 的电压 ,该电压可以 :
3 式中 : V D IFF = GL P V D IFF ,0 = GL P ・ ( V CX - V CX ) 8 1 2 在 CAV424 的电路中还集成进了一个温度传感
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 。
312 CAV424 的试验结果和应用
采用 2 个固定的标准电容器来模拟电容传感器 , 所测得的 CAV424 的温度特性曲线如图 5 所示 , 该温 度特性曲线已包含了所有外围的元器件的温度特性 。
图7 电容信号的数字化修正
31213 电容信号的数字化修正
由于 CAV424 本身只能将电容式信号变换成电 压信号 ,对电容式信号和电路本身所带来的非线性或 温度漂移无法进行修正 , 如图 1 和图 5 所示 。这种非 线性误差和温度漂移要修正到一定的精度 , 如果没有 数字电路的帮助 , 则是相当困难的 。图 6 是一种数字 传感器信号处理系统 ( DSSP[ 3 ] ) ,它将模拟传感器信号 通过 A/ D 转换电路送入微处理器 ,经微处理器加工处
如果输出的差分信号 V D IFF ,0 较小 , 可通过低通滤
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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仪表技术与传感器
2003 年
波器进行适当放大 , 放大倍数由电阻 R L 1 和 R L 2 确定 :
收稿日期 :2002210223
车工业应用等) ; ( 3) 可以与一些工业标准化输出电路相连 ,输出二 线、 三线制的 0/ 4～20 mA 的电流 。
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2 电容式信号的测量方法
几乎所有用来测量电容式传感器的电路是基于电 容差值的测量方法 , 这是因为被测量的电容值通常是 在几个 10 - 18 F 到几百个 10 - 12 F 范围内 ,而采用电容 差值的测量方法恰好可以满足这个测量范围的要求 。 一般情况下 , 选择一个电容值是固定的 , 作为参考电 容 ; 另一个则是传感器的被测电容值 。选择一个合适 的参考电容 ,比如与被测电容有相同的温度系数或与 被测电容具有相同的干扰影响的参考电容 , 在差分测 量电路中可以将此类干扰信号抵消 , 以达到较好的测 量精度 。 根据平板电容器的公式 : ε ε ε 0 rA A
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图8 CAV424 与微处理器相连
( 下转第 48 页)
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仪表技术与传感器
2003 年
定的加速度跟踪目标 。仿照分析速度响应与速度误差 的方法 ,可求其单位等加速度响应与其误差响应函数 , 做出加速度误差随正反馈系数 K + 变化的曲线 , 分析 发现 , 随着 K + 取值不同 , 加速度误差与速度误差有着 相同的变化规律 , 因此 , 可进一步确定 K + 取 0. 351 ,可 使加速度误差为最小 。其数值为 0. 1762 ,当天线角加 速度为 0. 5° / s 时 , 此项误差为 5. 3′ . 与前面计算出的 )减 速度误差加在一起为 5. 79′ , 比动态误差上限 ( 12′ 少 6. 21′ . 将动态仿真结果应用于实际天线随动系统 , 通过
+ V CLAMP
2 个电容 C X1 和 C X2 的充电电压振幅之差并于参 考电压 V M 一起形成差分电压 V CX ,D IFF ,
V CX ,D IFF = ( V CX - V CX ) + V M
1 2
路板) 充电和放电 , COSC 的电容值取值近似按照下式 :
COSC = 116 ・C X 1
COSC 和集成电路内部的附加电容 COSC ,PAR , IN T ( 比如电
V CLAMP 上 。 图 4 是电容 C X 1 和 C X 2 的充放电曲线情况 。
1 π ・R 0 ・f C 2
经过低通滤波器的信号输出在理想状况下应为 :
V L POU T = V D IFF ,0 + V M
式中 : V D IFF ,0 =
来自百度文库3 ( VC - VC ) X X 8 1 2
图5 CAV424 的温度特性曲线
31211 CAV 424 直接与 A/ D 转换电路或微处理器相连 CAV424 直接与一个 A/ D 转换电路或微处理器
相连接 ,就可以构成一个完整的高精度的数字化输出 的传感器测量系统 ,见图 6 。
理后再转换成所希望的工业用标准输出或直接的数字 信号输出 。另外一种信号处理系统称为模拟传感器信 号处理系统 ,可克服数字信号系统的量子噪声 ,并大大 降低成本 , 见图 8 。一个微处理器将反馈的修正信号 直接输入到电路 CAV424 中去 , 比如测量电容或参考 电容电路中 。选择一个价格低廉 、 小型的微处理器比 如 At mel 公司的 A Ttiny15 ,就可以将传感器信号进行 数字 化 线 性 修 正 和 温 度 补 偿 , 此 时 可 以 直 接 利 用 CAV424 中集成的温度传感器所提供的温度信号 。在
式中 : C X 1 是参考电容值 。 参考振荡器电流 I OSC 由外接电阻 R OSC 和参考电 压 V M 来确定
[2 ]
差分电压 V CX ,D IFF 通过一个二级低通滤波器滤 波。 二级滤波器的 3 dB - 角频率 f C1 和 f C2 由外接电容 Ω) CL 1 和 CL 2 以及内部的电阻 R 01 和 R 02 ( 典型值 20 k 来确定 。 3dB - 角频率 f C1 和 f C2 与参考振荡器的频率
外接电容 CL 与角频率 f C 由下式表示 :
CL =
式中 :Δ V OSC是参考振荡器的峰谷电压差 ,它由内部电 阻来确定 ,数值为 2. 1 V ,见图 3 。 电容式积分器的工作方式与参考振荡器接近 , 区 别在于它的放电时间是参考振荡器充电时间的一半 , 其次它的放 电 电 压 被 钳 制 在 一 个 内 部 固 定 的 电 压
图6 工业用二线制 4～20 mA 输出
(1) CAV424 的输出信号是具有较大动态范围的
差分信号达Δ V D IFF = 2. 8 V . 许多微处理器或 A/ D 转 换电 路 都 带 有 差 分 模 拟 量 输 入 端 , 可 以 直 接 与 CAV424 相连 。 (2) CAV424 的输出信号与工作电压是成比例变 化的 ,因此该种输出方式特别适合汽车控制系统的要 求 。比如电容式压力传感器和用于车厢内部湿度测量
图 4 积分器电压输出
电容式积分器的电流 I CX 是由外接电阻 R CX 和参 考电压 V M 来确定 :
I CX = VM R CX
电容 C X 充电至最大值 V CX ,它由下式给出 :
V CX = I CX
2 ・f OSC ・( C X + C X ,PAR , IN T + C X ,PAR , EXT)
第1期
・ 元器件与应用・
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图 3 参考振荡器电压输出 图2 CAV424 电路结构和应用电路图
311 CAV424 电容信号检测原理 CAV424 工作原理 : 一个由电容 COSC 确定频率的
参考振荡器控制着 2 个相位恒定和周期相同的对称构 造的积分器 。 这 2 个积分器的振幅通过电容 C X 1 和 C X 2 来确定 , 这里 C X 1 作为参考电容器 ( 有时也可作为测量 电容器) C X 2 作为测量电容器 。 比较二个积分器的电压 振幅差值就可以给出电容 C X 1 和 C X 2 的相对电容变化 差值 。 该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直 流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出 。 只要简单调整很少的元件就可改变低通滤波器的滤波 常数和放大倍数 。 该测量电路可测出与参考电容值的
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仪表技术与传感器
2003 年
用于电容传感器信号转换的集成电路 CAV424
Torg Stecker , Helmut Kremer ( 德国 AM G 公司 ,德国 美茵茨)
摘要 : 文中介绍了测量电容式传感器电容的一般方法 ,并针对 AM G 公司开发的电容式信号转 换成电压信号的集成电路 CAV424 作了应用性介绍 。 关键词 :电容式传感器 ; 电容式积分器 ; 差分电容测量 ; 微处理器 中图分类号 : TM936 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1841 ( 2003) 01 - 0001 - 04 之内 ,并对电容测量头的极板外用一个保护环屏蔽电 1 引言 场 ,这样的电容位移传感器的电容变化值与距离就有 在测量控制场合中经常需要将电容式信号转换成 较好的线性关系 。在有压力或加速度变化的时候 , 电 电压或电流信号 。目前大多数是使用分立元件或者专 容极板距离也会发生变化 , 上述的差分电容测量方法 门去开发专用的集成电路 ( CSICs) 。考虑到各种电容 同样也适用于电容式压力传感器 、 加速度传感器和角 式传感器信号的检测和使用范围 , 由德国 AM G 公司 开发的 CAV424 集成电路则具有较大的应用灵活性 。 度传感器等 。图 1 显示了一个电容式压力传感器的传 文中简要介绍了 CAV424 的原理和使用方法 。
f osc 和检测的速度 f DET 必须满足下式 : f DET < f C ν f OSC
:
I OSC = VM R OSC I OSC
参考振荡器的频率 f OSC是 :
f OSC =
Δ V OSC ・( COSC + COSC ,PAR , IN T + COSC ,PAR , EXT) 2・
( 1) 直接应用 ( 简单和价格低廉) ; ( 2) 可以与 AD 转换电路或微处理器直接相连 ( 汽
板面积 ; d 为 极板距离 。 电容值是通过距离 、 面积或相对介电常数的变化 而变化 。比如测量一个平板电容器的电容值 , 它已含 有某种介电常数的介质 , 与一个已知介电常数的参考 平板电容器的电容值相比较 , 就可以用来区分不同的 介质材料 。这种方法常在液位仪或材料区分中加以应 用 。由于水有较大的介电常数 , 常会影响亲水性的介 质测定 ,但可以用于电容式湿度传感器的湿度测量 。 如果电容极板的面积 A 发生变化 ,通过差分电容的测 量方法 ,就可以辨别不同的物体或不同的形状 。如果 是极板距离发生变化 , 通过该方法可以检测距离 。电 容式位移传感器就是这样的 。在一个较小的测量距离
GL P = 1 + RL 1 RL 2
此时经过低通滤波器的输出信号为 :
V L POU T = V D IFF + V M
的湿度传感器等 。 ( 3) CAV424 内部集成了一个温度传感器 ,可以直 接提供给微处理器作温度补偿信号 。 31212 工业用二线制 4～20 mA 输出 CAV424 与集成电路 AM402 一起就可以组成工 业上常用的二线制或三线制 4 ～ 20 mA 输出 , 见图 7 。 CAV424 的工作电压直接来自 AM402 的参考恒压源 5 V ,AM402 电路所具有的极性保护和短路保护在该 系统中同样具备 。
C = d
- 12
递函数曲线和线性情况 。该传感器的电容值变化已经 由处理电容信号的集成电路转换成电压信号了 。
=
d
图1 经信号转换的一个电容式压力传感器的传递函数与线性情况
式中 : ε 10 0 = 8 . 854 ×
;ε r 为相对介电常数 ; A 为极
3 集成化的电容信号转换电路
德国 AM G 公司开发了一系列用于电容信号的转 换、 放大以及标准化输出的集成电路 , 比如 CAN404 、 CAV414 和 CAV424 。图 2 是 CAV424 的 电 路 原 理 图 。它含有完整的电容信号采集 、 转换和标准化输出 的电路 。它可以输出最大幅值达 2. 8 V ( 差分信号 V D IFF) 的电压 ,该电压可以 :
3 式中 : V D IFF = GL P V D IFF ,0 = GL P ・ ( V CX - V CX ) 8 1 2 在 CAV424 的电路中还集成进了一个温度传感
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 。
312 CAV424 的试验结果和应用
采用 2 个固定的标准电容器来模拟电容传感器 , 所测得的 CAV424 的温度特性曲线如图 5 所示 , 该温 度特性曲线已包含了所有外围的元器件的温度特性 。
图7 电容信号的数字化修正
31213 电容信号的数字化修正
由于 CAV424 本身只能将电容式信号变换成电 压信号 ,对电容式信号和电路本身所带来的非线性或 温度漂移无法进行修正 , 如图 1 和图 5 所示 。这种非 线性误差和温度漂移要修正到一定的精度 , 如果没有 数字电路的帮助 , 则是相当困难的 。图 6 是一种数字 传感器信号处理系统 ( DSSP[ 3 ] ) ,它将模拟传感器信号 通过 A/ D 转换电路送入微处理器 ,经微处理器加工处
如果输出的差分信号 V D IFF ,0 较小 , 可通过低通滤
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波器进行适当放大 , 放大倍数由电阻 R L 1 和 R L 2 确定 :
收稿日期 :2002210223
车工业应用等) ; ( 3) 可以与一些工业标准化输出电路相连 ,输出二 线、 三线制的 0/ 4～20 mA 的电流 。
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2 电容式信号的测量方法
几乎所有用来测量电容式传感器的电路是基于电 容差值的测量方法 , 这是因为被测量的电容值通常是 在几个 10 - 18 F 到几百个 10 - 12 F 范围内 ,而采用电容 差值的测量方法恰好可以满足这个测量范围的要求 。 一般情况下 , 选择一个电容值是固定的 , 作为参考电 容 ; 另一个则是传感器的被测电容值 。选择一个合适 的参考电容 ,比如与被测电容有相同的温度系数或与 被测电容具有相同的干扰影响的参考电容 , 在差分测 量电路中可以将此类干扰信号抵消 , 以达到较好的测 量精度 。 根据平板电容器的公式 : ε ε ε 0 rA A
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图8 CAV424 与微处理器相连
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定的加速度跟踪目标 。仿照分析速度响应与速度误差 的方法 ,可求其单位等加速度响应与其误差响应函数 , 做出加速度误差随正反馈系数 K + 变化的曲线 , 分析 发现 , 随着 K + 取值不同 , 加速度误差与速度误差有着 相同的变化规律 , 因此 , 可进一步确定 K + 取 0. 351 ,可 使加速度误差为最小 。其数值为 0. 1762 ,当天线角加 速度为 0. 5° / s 时 , 此项误差为 5. 3′ . 与前面计算出的 )减 速度误差加在一起为 5. 79′ , 比动态误差上限 ( 12′ 少 6. 21′ . 将动态仿真结果应用于实际天线随动系统 , 通过
+ V CLAMP
2 个电容 C X1 和 C X2 的充电电压振幅之差并于参 考电压 V M 一起形成差分电压 V CX ,D IFF ,
V CX ,D IFF = ( V CX - V CX ) + V M
1 2
路板) 充电和放电 , COSC 的电容值取值近似按照下式 :
COSC = 116 ・C X 1