CAV424倾角传感矗的检测系统设计

CAV424 倾角传感矗的检测系统设计倾角传感矗的检测系统设计 录入 tai yan 时间 2007 07 20 19 16 37 作者 来源 采集所得 浏览 8 次 广告位招商 QQ 407968286 上海电子元器件专业供应商 电话 021 52857981 电话 021 52857982 qq 394985214 联系人 顾先生 谭小姐 广告位招商 QQ 407968286 引引 言言 差动电容式传感器的灵敏度高 非线性误差小 同时还能减小静电引力给 测量带来的影响 并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差 因而 在许多测量控制场合中 用到的电容式传感器大多是差动式电容传感器 然 而 电容式传感器的电容值十分微小 必须借助信号调理电路 将微小电容 的变化转换成与其成正比的电压 电流或频率的变化 这样才可以显示 记 录以及传输 目前 大多数电容式传感器信号调理电路使用分立元件或者专 门去开发专用集成电路 ASIC 因为差动电容式传感器的 电容量很小 传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以 实现高精度测量 而由德国 AMG 公司开发的 CAV424 集成电路则能有效地 减小这些影响所带来的误差 因而具有较大的应用灵活性 设计中的倾角传感器是新型变质面积电容式倾角传感器 该倾角传感器技 术是为数不多的能够兼有结构简单 可靠性高 有通用传感器集成电路等优 点的倾角传感器技术之一 在测量仪器仪表 建筑机械 天线定位 机器人 技术 汽车四轮定位等方面有广泛应用 1 系统工作原理系统工作原理 系统硬件结构模块框图如图 1 所示 主要由差动电容 CAV424 运放 单 片机和显示电路等组成 系统由差动电容检测到倾角传感器安装位置的倾斜 角度 并把角度变化转换成电容量变化 此差动电容在一个增大的同时另一 个减小 然后把两个电容的变化值分别送入 2 片 CAV424 中 由 2 片 CAV424 把电容的变化值转换成两个不同的电压值 这两路电压经过差动放 大后送入单片机 进行处理 最后由显示电路显示出被检测对象的倾斜角度大小 由上述原理 可知 被检测对象的倾斜角度经过了三级差动处理 同时 CAV424 自带有温 度传感器 此传感器的输出信号又送入单片机内进行温度补偿处理 因而该 系统具有较高的精度和灵敏度 2 系统各部分电路设计系统各部分电路设计 2 1 差动电容 电压转换电路设计差动电容 电压转换电路设计 考虑到差动电容的容量很小 传感器的调理电路往往易受到寄生电容和环 境变化的影响 因此采用德国 AMG 公司开发的 CAV424 作为差动电容的信 号调理电路 又因为单片 CAV424 只能检测到 1 个电容 因而采用 2 片 CAV424 来完成差动电容的检测 1 CAV424 简介简介 CAV424 是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集 成电路 它同时具有信号采集 相对电容量变化 处理和差分电压输出的功 能 能够测量出一个被测电容和参考电容的差值 在相对于参考电容值 10 pF 1nF 5 100 的范围内 可以检测 0pF 一 2nF 的电容值 且其输出差分 电压最大可达士 1 4 V 同时 CAV424 还具有内置温度传感器 可以直接 给微处理器提供温度信号用于温度补偿 从而简化整个传感器系统 原理如 图 2 所示 2 CAV424 的检测原理的检测原理 1 个通过电容 Cosc 确定频率的参考振荡器驱动 2 个构造对称的积分器 并 使它们在时间和相位上同步 这 2 个积分器的振幅通过电容 Cxl 和 Cx2 确定 如图 2 这里 Cxl 作为参考电容 而 Cx2 作为被测电容 由于积分器具有 很高的共模抑制比和分辨率 所以比较 2 个振幅的差值得到的信号反映出 2 个电容 Cxl 和 Cx2 的相对变化量 该差分信号通过 1 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级输出 只要简单调整很少的元件 就可以改变 低通滤波器的滤波常数和放大倍数 参考振荡器对外接的振荡器电容 Cosc 和与它相关的内部寄生电容 Cosc PAR INT 以及外接的寄生电容 Cosc PAR EXT 充电 然后放电 振荡器的电容近似地取为 Coc 1 6Cxl 参考振荡器电流 Iosc VM Rosc 实测振荡器的输出波形 即任一片 CAV424 的 12 脚输出波形 如参考文献 1 的图 2 所示 电容式积分器的工作方式与参考振荡器的工作方式接近 区别在于前者放 电时间是参考振荡器的一半 其次前者的放电电压被钳制在一个内部固定的 电压 VCLAAMP 上 实测 2 片 CAV424 的 14 脚和 16 脚 电容积分器的输出 电压 输出波形可从参考文献 1 中查找 两个积分器的输出电压经内部信号调理后的输出 在理想状况下应为 VLPOUT VDIFF VM 其中差分信号 VDIFF 3 8 Vcx1 Vx2 VM 为参考电压 3 实际硬件电路及电路参数设计实际硬件电路及电路参数设计 实际的差动电容 电压转换电路如图 3 所示 倾角传感器放在水平位置时 差动电容 C10 C20 50pF 所以应选 CAV424 的参考电容 C11 C21 50pF 振荡电容 C12 C22 1 6C11 80pF 低通滤波电 容 C13 C14 C23 C24 200C11 10nF 稳定参考电压 VM 的电容负载 C15 C25 100 nF 电流调整电阻 R11 R12 R21 R22 500k 参考振荡器电流设定电阻 R13 R23 250k 为了调整 VLPOUT 把输出级电阻均调整为 100k 的电位器 另外 为了提高电路的 稳定性 在 CAV424 的引脚 4 和地之间接了 10nF 的电容 C16 和 C26 2 2 运算放大器电路设计运算放大器电路设计 运放电路用来合成和放大 2 片 CAV424 输出的电压信号 使其转换为易被 单片机处理的 O 5V 直流电压 若按一般设计原则 这里应选用仪用放大器 但考虑到仪用放大器成本较高 而且由于前级使用了两片 CAV424 其输出 电压已经较高 所以这里选用了性价比较高的四运放 TL084 作为信号调理电 路 实验表明其精度完全达到了预定的设计要求 考虑到后级电路的简易性 这里采用两级运放 第一级用两片 CAV424 的 VLPOUT 分别作为运放的正反 相输入 使倾角传感器在 90 变化时 Vol 输出为 2 5V 用 2 片 CV424 的任 一 VM 端作为第二级运放的同相输入端 使 V02 输出电压为 0 5V 然后 再把此信号作为单片机的模拟输入信号 实际电路如图 4 所示 这里 选取 R1 R2 R3 R4 R5 Rf2 10 k Rf1 Rp1 100 k 则 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 同时 调整 Rf2 和 Rp1 使倾角传感器在 90 内变化时 Uo 在 0 5V 内变化 2 3 单片机及其显示系统的软硬件设计单片机及其显示系统的软硬件设计 1 硬件设计 考虑到运算放大器输出的是 0 5V 模拟电压信号 同时 CAV424 的温度传 感器输出也是模拟电压信号 一般单片机无法直接处理 因此这里选用 Microchip 公司生产的 PIC16F872 作为系统的微处理器 它除了具有一般 PIC 系列单片机的精简指令集 RISC Reduced Instruetion Set Computer 哈佛 Harvard 双总线和两级指令流水线结 构等特征外 还自带有 5 个 10 位 A D 转换部件 2K 14 位的 Flash 存储器 为开发系统提供了极大的方便 另外 考虑到倾角传感器既要显示倾斜角度的大小 又要显示角度的正负 同时考虑到编程方便和倾角传感器的显示精度问题 本设计选用 HD7279 作 为 8 段数码管显示驱动电路 用以显示倾角的大小及正负 这部分的设计电路如图 5 所示 2 软件