２０１１年 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１１ Ｎｏ．５ 第５期 基于ＣＡＶ４２４的电容式压力传感器测量电路设计 庞士信 ，－，王超 １１００４３） （１．沈阳工业大学，辽宁沈阳１１０８７０；２．沈阳仪表科学研究院，辽宁沈阳摘要：随着差动式硅电容传感器广泛应用于各行各业中，对差动电容信号的检测至关重要。文中提出基于ＣＡＶ４２４ 电容检测芯片作为前置检测单元，实现了电容压力传感器测量电路。该电路具有稳定性好，抗干扰性强，且通过非线性补 偿有良好的线性。实验结果表明，实际电路与理论分析具有良好的一致性。 关键词：差动电容；ＣＡＶ４２４；测量电路 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０５—０００１—０２ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｔｙｐｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＶ４２４ ＰＡＮＧ Ｓｈｉ—ｘｉｎ ．－．ＷＡＮＧ Ｃｈａｏ。 ‘ （１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８７０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００４３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ，ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉｌ ｃａｐａｃｉａｔａｎｃｅ ｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｈｉｐ ｏｆ ＣＡＶ４２４ ａｓ ａ ｐｒｅ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ，ｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｔｙｐｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ，ｈａｓ ｇｏｏｄ ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｅａｔｕｒｅ，ａｎｄ ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒ ｔｔ￣ｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎ— ｅａｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ＣＡＶ４２４；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ０引言 硅电容压力传感器是利用硅基材料，应用电容原理，采用 ＭＥＭＳ工艺制作的一类新型压力传感器 。因其具有稳定性 好，非线性和可靠性优越的性能被广泛用于工业控制和测量领 域。但是差动电容式压力传感器的输出差动电容信号通常都 非常微弱，因此，如何将微小电容变化量检测及转换为后续电 路容易处理的信号至关重要。目前，比较常用的检测调理电路 如谐振法、振荡法、开关电容法、ＡＣ电桥法、运算放大器检测法 等 ｊ。这些调理电路都是采用分离元件设计而成的，而文中将 采用一款电容专用检测转换芯片ＣＡＶ４２４作为调理电路的核心 部件。实验表明该电路稳定性高，功耗低，且非线性度在０．２％ ０．１％，非常适合使用干电池供电的仪表仪器。 ～由图１可知，通过电容Ｃ 调整参考振荡器的频率来驱动２ 个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。２个被控 制的积分器的振幅分别由电容Ｃ 和 来决定，这里Ｃ 。作参 考电容，ｃ 作为测量电容。由于积分器具有很高的共模抑制 比和分辨率，所以２个振幅的差值所提供的信号就反映出２个 电容Ｃ 和Ｇ艘的差值。这个电压差值通过后面的有源滤波器 滤波为直流电源信号（整流效应），然后送到可调的放大器，调 整 和Ｒｎ的值，可得到所需要的输出电压值。如果２个电容 和 值相同，那么经过整流和滤波得到的一个直流电压信 号就是零。如果测量Ｃ皿电容改变了ＡＣ船，那么得到的输出电 压与之是成正比的。如果２个电容 和ｃ 值不相同，那么当 ＡＣ砣＝０时，在输出端得到的是一个偏置值，它始终是叠加在直 流电压信号上的 。 １．２测量输出 根据ＣＡＶ４２４工作原理及外围电路连接图，可得测量输出 表达式： １ ＣＡＶ４２４工作原理 １．１测量原理 ＣＡＶ４２４是专门用于电容检测转换的集成芯片，其工作原 理图及外围连接图如图１所示。 ＶＴＥＭＰ Ｒ（ ， ＲＣｔｅ ＲＣ ： ＋ ・÷（ 一 ） Ｇ【】ｓｃ ．＋Ｇ 。÷（ ‘ ） 这里取，。 ＝Ｊ。 ＝，。，所以输出表达式（１）可简化为： Ｃｘ Ｖｏ．ｔ＝ ＧＮＤ ｃｎ ｃ Ｌ２ ＲＬ 。去・ｌｃ。 。（ １一 １） 为参考振荡器频率范围，其由被 ｃ ３ 式中：Ｇ ＝１＋ ； 为参考电压２．５ Ｖ；Ｉｃ为２个积分器的充 电电流，这里取常数５ Ａ 测电容的最小值决定。 ２硬件电路及软件设计 ２．１系统设计 图１ ＣＡＶ４２４工作原理图及外围连接圈 收稿日期：２０１０—１０—０８收修改稿日期：２０１１—０２—２０ 该系统主要以ＣＡＶ４２４检测芯片和微处理器控制模块为核 心，另外还有输出显示模块以及电源模块等。系统框图如图２ ２ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｍ‘ｄｖ．２０１１ 所示。 ｖｃｃ Ｉ／Ｏ ｌ—一 ＶＬＣＤ ＣＳ ＶＤＤ ＲＤ 口 ＤＡ 图２系统框图 ＧＮＤ ＰＩｃ１６Ｆ８７７ ＧＮＤ ＬＣＭ０４６ ＣＡＶ４２４检测芯片在系统中主要任务是将传感器的差动电 容信号转换为可测的电压信号。差动式压力传感器的低压端 连接Ｃ 参考电容端，高压端连接Ｃ 被测电容端，这样连接可 以保证输出电压始终为正。 ２．２电容检测电路设计 根据硅电容压力传感器核心器件可看成由中心可动电极和两 图４液晶连接图 边的固定电极组成的２个可变电容，其敏感电容可以简单地认为 是平板电容，而平板电容公式为：Ｃ＝ ，并且将 。连接到差压 的高压端， 连接到低压端。由此可得Ｃ，Ｙ。和 表达式： ，、 一曼： 一 ，１ 一 ： ＋△占’ 一 一△占 因此可得式（２）最终表达式： ＝ ＋ ・ ・ ’ 图５主程序 图６ ＡＤ转换子程序图７ ＬＣＭ０４６子程序 式中： 为两极板间介质的介电常数；Ｓ为两极板相对有效面 积；占为两极板的间隙。 因此，在小位移情况下，外加压力和Ａ６成比例关系，可见 电容的倒数差与输入压力成线性关系。所以文中将ＣＡＶ４２４的 Ｃ 作为参考电容端连接到差压的高压端是合适的，这样的线 ３实验与结果分析 试验中差动式电容传感器的低压端连接ＣＡＶ４２４的ｃ 管 脚，高压端连接ｃ 管脚。根据差动电容值的变化范围，ｃ 这 里取８２ ｐＦ，则ｆｏｓｃ＝２９．０３６ ｋＨｚ；Ｇ ＝１ ＸｔＬ１中的Ｒ Ｒ 分别 ＩＬ／２ Ｒ 性关系减少了系统误差的影响，提高了系统的可靠性和准确 性。ＣＡＶ４２４检测转换原理如图３所示。 Ｇ＾ 取３００ Ｑ和１００ ０，这样使得ＣＡＶ４２４输出的电压范围在２．５～ ３．７５ Ｖ，在ＡＤＣ模拟输入范围内。试验中选取两种量程的电容 传感器作为实验的测试对象，分别是１３０ Ｐａ和１０ ＭＰａ两种。 在实验环境相同情况下，实验测得常温下数据如表１、表２所 示 表１ １３０ Ｐａ对应输出电压值 图３ ＣＡＶ４２４检测原理图 ２．３控制及显示电路设计 控制显示电路以单片机为核心，选用ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机为 控制器，其内部含有１０位高精度Ａ／Ｄ转化器，能够直接处理模 拟电压，调整ＣＡＶ４２４的ＧＬ尸，可以使输出电压范围在２．５—３．５ Ｖ之间，满足单片处理信号的要求。显示器件选用ＬＣＭ０４６液 晶模块，其功耗低，工作电流只有 Ａ级，并且其与处理器连接 简单。连接图如图４所示。 ２．４软件设计 从表１、表２可以看出实际测量值与理论值差值范围在 ０．００１ ４７—０．０００ ３，误差小于０．２％，且线性也比较理想。整体 性能符合实际要求，因此利用１片ＣＡＶ４２４作为测量电路检测 前端是可行的，有很好的实用性。 参考文献： ［１］ 徐开先．硅电容压力传感器及其产业化．世界仪表与自动化， ２００８． 软件设计主要包括Ａ／Ｄ转换程序和ＬＣＭ０４６数据显示两 部分。另外还有非线性补偿部分，在线性不好的情况下可以采 ［２］ 孙立宁，晏祖根，陈立国．电容式微位移传感器检测电路的设计． 机械与电子，２００５（１）：３３—３５． ［３］Ｔｏｒｇ Ｓｔｅｃｋｅｒ，Ｈｅｌｍｕｔ Ｋｒｅｍｅｔ．用于电容传感器信号转换的集成电 路ＣＡＶ４２４．仪表技术与传感器，２００３，４（１）：４０—４２． 作者简介：庞士信（１９５６一），教授级高级工程师。现从事传感器技术研 究。Ｅ．ｍａｉｌ：ｐｓｘ＠ｈｂ－ｓａｉｓ．ｔｏｍ 用插值法进行必要的线性补偿。软件流程图设计如图５、图６、 图７所示。
