引 言
差動電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差，因而在許多測量控制場合中，用到的電容式傳感器大多是差動式電容傳感器。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)。因為差動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現(xiàn)高精度測量；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)簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點的傾角傳感器技術(shù)之一。在測量儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術(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，主要由差動電容、CAV424、運放、單片機和顯示電路等組成。系統(tǒng)由差動電容檢測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。此差動電容在一個增大的同時另一個減小，然后把兩個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)換成兩個不同的電壓值。這兩路電壓經(jīng)過差動放大后送入單片機進行處理。最后由顯示電路顯示出被檢測對象的傾斜角度大小。由上述原理可知，被檢測對象的傾斜角度經(jīng)過了三級差動處理，同時CAV424自帶有溫度傳感器。此傳感器的輸出信號又送入單片機內(nèi)進行溫度補償處理。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
2.1 差動電容／電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
考慮到差動電容的容量很小，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作為差動電容的信號調(diào)理電路。又因為單片CAV424只能檢測到1個電容，因而采用2片CAV424來完成差動電容的檢測。
（1）CAV424簡介
CAV424是一個多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉(zhuǎn)換接口集成電路。它同時具有信號采集(相對電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測量出一個被測電容和參考電容的差值。在相對于參考電容值(10 pF~1nF)5％～100％的范圍內(nèi)，可以檢測0pF一2nF的電容值，且其輸出差分電壓最大可達士1．4 V；同時，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用于溫度補償，從而簡化整個傳感器系統(tǒng)，原理如圖2所示。
(2)CAV424的檢測原理
1個通過電容Cosc確定頻率的參考振蕩器驅(qū)動2個構(gòu)造對稱的積分器，并使它們在時間和相位上同步。這2個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個振幅的差值得到的信號反映出2個電容Cxl和Cx2的相對變化量。該差分信號通過1個二級低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，并經(jīng)過輸出可調(diào)的差分級輸出。只要簡單調(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。實測振蕩器的輸出波形，即任一片CAV424的12腳輸出波形，如參考文獻[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內(nèi)部固定的電壓VCLAAMP上，實測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[1]中查找。
兩個積分器的輸出電壓經(jīng)內(nèi)部信號調(diào)理后的輸出，在理想狀況下應(yīng)為
VLPOUT=VDIFF+VM
其中差分信號VDIFF=3／8(Vcx1-Vx2)，VM為參考電壓。
（3)實際硬件電路及電路參數(shù)設(shè)計
實際的差動電容／電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
傾角傳感器放在水平位置時，差動電容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運算放大器電路設(shè)計
運放電路用來合成和放大2片CAV424輸出的電壓信號，使其轉(zhuǎn)換為易被單片機處理的O～5V直流電壓。若按一般設(shè)計原則，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比較高的四運放TL084作為信號調(diào)理電路。實驗表明其精度完全達到了預(yù)定的設(shè)計要求。考慮到后級電路的簡易性，這里采用兩級運放。第一級用兩片CAV424的VLPOUT分別作為運放的正反相輸入，使傾角傳感器在±90°變化時，Vol輸出為±2.5V，用2片CV424的任一VM端作為第二級運放的同相輸入端，使V02輸出電壓為0～5V。然后，再把此信號作為單片機的模擬輸入信號，實際電路如圖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，調(diào)整Rf2和Rp1，使傾角傳感器在±90°內(nèi)變化時，Uo在0～5V內(nèi)變化。
2．3單片機及其顯示系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
(1)硬件設(shè)計
考慮到運算放大器輸出的是0～5V模擬電壓信號，同時CAV424的溫度傳感器輸出也是模擬電壓信號，一般單片機無法直接處理，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系列單片機的精簡指令集(RISC，Reduced Instruetion Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)等特征外，還自帶有5個10位A／D轉(zhuǎn)換部件，2K×14位的Flash存儲器，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，同時考慮到編程方便和傾角傳感器的顯示精度問題，本設(shè)計選用HD7279作為8段數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路，用以顯示傾角的大小及正負。
這部分的設(shè)計電路如圖5所示。
(2)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括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
實驗證明，該傾角傳感器的測量精度及靈敏度均達預(yù)期要求。該設(shè)計是一個通用型模塊，把傾角傳感器的差動電容換成其他的差動電容式傳感器，就可以進行振動、加速度、差壓、液面等基于差動電容原理的精確測量，因此該系統(tǒng)的設(shè)計方案具有很大的應(yīng)用價值。
