中心議題：
- CAV424工作原理
- 電容式壓力傳感器測(cè)量硬件電路及軟件設(shè)計(jì)
- 電容式壓力傳感器測(cè)量電路實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
解決方案：
- 基于CAV424電容檢測(cè)芯片作為前置檢測(cè)單元
引言
硅電容壓力傳感器是利用硅基材料， 應(yīng)用電容原理， 采用MEMS 工藝制作的一類新型壓力傳感器。因其具有穩(wěn)定性好， 非線性和可靠性優(yōu)越的性能被廣泛用于工業(yè)控制和測(cè)量領(lǐng)域。但是差動(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。目前， 比較常用的檢測(cè)調(diào)理電路如諧振法、振蕩法、開(kāi)關(guān)電容法、AC 電橋法、運(yùn)算放大器檢測(cè)法等。這些調(diào)理電路都是采用分離元件設(shè)計(jì)而成的， 而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%~ 0 1%, 非常適合使用干電池供電的儀表儀器。
1 CAV424工作原理
1. 1 測(cè)量原理
CAV424是專門用于電容檢測(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1 CAV424工作原理圖及外圍連接圖
由圖1可知， 通過(guò)電容C osc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C X1和C X2來(lái)決定， 這里C X1作參考電容， C X2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C X1和C X2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RL 1和RL 2的值， 可得到所需要的輸出電壓值。如果2 個(gè)電容C X1和C X2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C X2電容改變了△C X2, 那么得到的輸出電壓與之是成正比的。如果2個(gè)電容C X1和C X2值不相同， 那么當(dāng)C X2 = 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2 5 V; Ic 為2個(gè)積分器的充電電流， 這里取常數(shù)5 A; fOSC為參考振蕩器頻率范圍， 其由被測(cè)電容的最小值決定。
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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C X1參考電容端， 高壓端連接C X2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C X1參連接到差壓的高壓端， C X2連接到低壓端。由此可得C X1參和C X2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CX 1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3 CAV424檢測(cè)原理圖
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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2 5~ 35V 之間， 滿足單片處理信號(hào)的要求。顯示器件選用LCM 046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LCM 046 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C X2管腳， 高壓端連接C X1管腳。根據(jù)差動(dòng)電容值的變化范圍， Cosc這里取82 pF, 則fOSC = 29. 036 kH z;GLP = 1 +RL1/RL2中的RL 1, RL2分別取300Ω 和100 Ω , 這樣使得CAV424輸出的電壓范圍在25~3 75 V, 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130 Pa 和10M Pa 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1 130 Pa對(duì)應(yīng)輸出電壓值
表2 10MPa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0 001 47~ 0000 3, 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。
