專利名稱：電容微變式壓力傳感器變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種壓力傳感器變送器。
電容式傳感器中的微變電容，其變化量ΔC與所受的壓力變化量成正比。在常壓下，微變電容的初始值約為20PF，在20KPa壓力下，ΔC約為2PF。對(duì)如此小的ΔC值，一般電路很難進(jìn)行線性好、精度高、溫漂低的電容-頻率(C-F)變換。例如典型的555單穩(wěn)或多諧振蕩電路的設(shè)計(jì)建議中，一般都要求定時(shí)電容的容量應(yīng)大于100PF，否則器件的漏電流、失調(diào)電壓及其它不確定溫漂等原因，將對(duì)變換電路產(chǎn)生較大的誤差。
鑒于上述，本實(shí)用新型將提供一種高精度、低溫漂的電容微變式壓力傳感器變送器，以供數(shù)字式二次儀表進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種電容微變式壓力傳感器變送器，由穩(wěn)定電壓源、電容-頻率變換電路、隔離緩沖電路構(gòu)成，電容-頻率變換電路的輸出接隔離緩沖電路的輸入，其特征在于所述穩(wěn)定電壓源由基準(zhǔn)電壓源、運(yùn)放和晶體管構(gòu)成，所述基準(zhǔn)電壓源和所述晶體管的輸出分別接所述運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，所述運(yùn)放的輸出接所述晶體管的輸入；所述電容-頻率變換電路由微變電容、比較器、跟隨器構(gòu)成，所述微變電容的正極接跟隨器的輸入，跟隨器的輸出接比較器的一個(gè)輸入端，比較器的另一個(gè)輸入端與其輸出端之間連接電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的輸出與所述微變電容的正極之間串接充放電電阻網(wǎng)絡(luò)；所述隔離緩沖電路由緩沖器、積分電路、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，所述比較器的輸出和所述基準(zhǔn)電壓源分別接所述緩沖器的兩個(gè)輸入端，所述緩沖器的輸出經(jīng)所述積分電路接所述驅(qū)動(dòng)器的輸入。
在上述技術(shù)方案的實(shí)施措施中所述驅(qū)動(dòng)器的輸出端與地之間連接阻容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
所述充放電電阻網(wǎng)絡(luò)由二極管與一電阻并聯(lián)后再與一電阻串聯(lián)構(gòu)成。
所述晶體管的輸出經(jīng)一分壓支路接所述運(yùn)放的一個(gè)輸入端。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。


圖1是本實(shí)用新型的電路原理圖。
本實(shí)用新型是由穩(wěn)定電壓源、電容-頻率變換電路、隔離緩沖電路組成的變送電路，其功能是將與壓力變化量成正比的電容傳感器中的微變電容量，以高精度、低溫漂方式轉(zhuǎn)換成按線性變化的頻率增量，以供數(shù)字式二次儀表進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理。
請(qǐng)參閱附圖。高精度、高穩(wěn)定電壓源VCC由能隙式基準(zhǔn)電壓源LM236-5.0、運(yùn)放U1:B(1/2LM258)、NPN三極管T1、相關(guān)電阻RS和R1～R3、濾波電容C2和C3組成，以提高C-F變換電路輸出頻率的精度及穩(wěn)定性?；鶞?zhǔn)電壓源和晶體管T1的輸出分別接運(yùn)放U1:B的兩個(gè)輸入端，運(yùn)放U1:B的輸出接晶體管T1的基極輸入。為調(diào)整VCC的值，使晶體管T1的輸出經(jīng)R2、R3分壓支路接運(yùn)放U1:B的輸入端6，即把T1接在U1:B負(fù)反饋環(huán)內(nèi)，由圖可知，VCC=5.0(1+R2/R3)。電阻RS則起對(duì)T1的保護(hù)作用當(dāng)外電源VIN接通瞬間，由于濾波電容C3瞬間短路，若RS=0，則VIN全部加在T1的C-E結(jié)之間，若此時(shí)U1:B的輸出7腳為高，則T1瞬間導(dǎo)通，對(duì)T1產(chǎn)生的沖擊可能會(huì)使T1的C-E結(jié)功耗過大而使T1損壞。
電容-頻率變換電路由比較器U2:B(1/2LM293)、跟隨器U3(IM210)、微變電容CX、相關(guān)電阻R4～R7、RD、RC、RP構(gòu)成。微變電容CX的正極接跟隨器U3的輸入，跟隨器U3的輸出經(jīng)電阻RP接比較器U2:B的輸入端6，比較器U2:B的另一個(gè)輸入端5與其輸出端7之間連接由電阻R4～R7構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器U2:B的輸出與微變電容CX的正極之間串接充放電電阻網(wǎng)絡(luò)，該充放電電阻網(wǎng)絡(luò)由二極管D1與一電阻RD并聯(lián)后再與一電阻RC串聯(lián)構(gòu)成。
隔離緩沖電路由緩沖器U2:A(1/2LM293比較器)、積分電路、驅(qū)動(dòng)器U1:A(1/2LM258運(yùn)放)構(gòu)成，積分電路由R9、C5構(gòu)成。比較器U2:B的輸出和LM236-5.0基準(zhǔn)電壓源分別接緩沖器U2:A的兩個(gè)輸入端，緩沖器U2:A的輸出經(jīng)積分電路接驅(qū)動(dòng)器U1:A的輸入腳3。
CX是電容式傳感器中的微變電容，其變化量ΔC與所受的壓力變化量成正比。其特點(diǎn)是1.CX的一端必須接地。2.ΔC的值很小在常壓下，CX的初始值約為20PF，在20KPa壓力下，ΔC約為2PF。
本電路的工作原理如下LM236-5.0基準(zhǔn)電壓源為運(yùn)放U1:B的正向輸入端5腳提供一個(gè)高精度、高穩(wěn)定的5伏參考電壓。由于運(yùn)放U1:B接成同相比例放大電路，故其輸出端7腳的電位是5.0(1+R2/R3)伏。由于運(yùn)放的帶負(fù)載能力較弱(通常輸出電流為5～10mA)，故用晶體管T1以射隨形式接入電路進(jìn)行隔離，使穩(wěn)定電源系統(tǒng)帶負(fù)載能力大為提高。又由于將T1接在U1:B負(fù)反饋環(huán)內(nèi)，故可消除T1的Vbe結(jié)電壓造成對(duì)Vcc的誤差影響。該高精度、高穩(wěn)定電壓源提供5.0(1+R2/R3)的VCC供電路使用。
在電容-頻率變換電路中，當(dāng)U2:B的輸出為低電平時(shí)(V7=0)，其5腳電平為V5(-)=VCCR5//R7R6+R5//R7=VCC·α]]>當(dāng)V7為高電平時(shí)(V7≈VCC)，則有V5(+)=V5(-)+VCCR6//R7(R4+R5)+R6//R7=V5(-)+VCC·β]]>在V7≈VCC期間，VCC通過R4、RD1//RD、RC向CX充電(RD1為二極管D1的反向偏置時(shí)的電阻)。CX上的充電電壓VCX經(jīng)跟隨器U3送到比較器U2:B的第6腳，當(dāng)V6=VCX≥V5(+)時(shí)，V7翻轉(zhuǎn)為低電平，即V7=0,CX通過RC、RD2//RD向UC:B的第7腳放電(RD2為二極管D1的正向偏置時(shí)的電阻)。當(dāng)V6=VCX≤V5(-)時(shí)，V7重新翻轉(zhuǎn)為高電平，于是V7波形為周期性方波信號(hào)。V7方波信號(hào)的周期值為T=TH+TL=CX·[(R5+RD1//RD+RC)ln(1-α1-β)+(RC+RD2//RD)ln(βα)]]]>T與CX嚴(yán)格成正比。由于α、β值僅與電阻值有關(guān)，故輸出的C-F信號(hào)V7為高精度、高穩(wěn)定變換信號(hào)。高精度、高穩(wěn)定電源VCC保證CX從充、放電的臨近結(jié)束的階段，對(duì)T值不會(huì)產(chǎn)生附加誤差，及提高電路的工作穩(wěn)定性。
通過對(duì)R4～R7的數(shù)值選擇，可使回差電壓值ΔV=V5(+)-V5(-)調(diào)高，例如使ΔV＞VCC/3，以利于克服比較器U2:B的失調(diào)電壓和VIO溫漂誤差(VIO的典型值為±1.0mV(25℃)～±9.0mV(70℃))。
二極管D1起溫度補(bǔ)償作用由于在V7≈VCC高電平期間，U2:B輸出泄放電流IOL典型溫漂值為0.1nA(25℃)～1μA(70℃)，溫度上升，會(huì)使CX的充電電流減小，使T值變大。另外，由于在V7=0低電平期間，輸出飽和電壓VOL典型溫漂值為ΔVOL=+2.5mV/℃，即溫度上升，會(huì)對(duì)CX放電電流減小，使T值變大。由于二極管D1典型的溫度系數(shù)為-2.5mV/℃，且溫升時(shí)等效RD2值減小。故在溫升時(shí)，在CX放電期間，D1的補(bǔ)償作用是使放電電流增大，T減小，以補(bǔ)償IOL、VOL溫漂影響。與D1并聯(lián)的電阻RD對(duì)補(bǔ)償作用的強(qiáng)弱進(jìn)行調(diào)整。RD值越大，D1的補(bǔ)償作用越明顯。
跟隨器U3的輸入電阻為106MΩ，輸入電容僅為1.5P，且溫漂系數(shù)極小，可對(duì)CX到比較器U2:B第6腳的信號(hào)連接起良好的隔離緩沖作用。電阻RP=R5//R6//R7起減小U2:B失調(diào)電流影響的作用。
在隔離緩沖電路中，電容-頻率變換電路中的比較器U2:B的輸出信號(hào)V7送到比較器U2:A的第3腳，U2:A起到對(duì)V7信號(hào)隔離、緩沖的作用。U2:A的第1腳方波輸出信號(hào)V1經(jīng)由R9、C5組成的積分電路，變成抗波形失真、抗干擾的指數(shù)形鋸齒波，再送到連接成跟隨器的驅(qū)動(dòng)器U1:A的輸入3腳，最后U1:A的第1腳輸出C-F變換信號(hào)FOUT。
由于驅(qū)動(dòng)器U1:A連接成跟隨器的方式最容易產(chǎn)生自激振蕩，故在其輸出端1腳與地之間連接由R10、R11、C8組成的阻容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，來補(bǔ)償電路產(chǎn)生的新極點(diǎn)fp和零點(diǎn)fzfp≈12π·R10·C8,fz≈12π·R11·C8,]]>以克服可能產(chǎn)生的自激振蕩。
圖中虛線框中電路單元U4:B和U5為二次儀表中的前級(jí)單元電路。U4:B(1/2LM293)為對(duì)FOUT信號(hào)整形的施密特電路，其輸出方波脈沖送至計(jì)數(shù)器U5(CD4020)的時(shí)鐘端第10腳CLK，經(jīng)U5分頻后送入單片機(jī)(例如89C2051)的外計(jì)數(shù)端INT0。單片機(jī)中定時(shí)器T0的GATE位被置為″1″，且TR0位被置為″1″后，定時(shí)器以計(jì)數(shù)方式測(cè)量INT0的脈沖寬度(高電平)。采用U5進(jìn)行分頻有兩個(gè)作用單片機(jī)對(duì)分頻后的展寬信號(hào)可進(jìn)行高精度計(jì)數(shù)測(cè)量；同時(shí)，對(duì)CLK端整形信號(hào)分頻處理實(shí)際上是采用了平均化計(jì)算，這有利于減小變換中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。
電路中全部電阻均采用高精度金屬膜電阻。電路制作在電路板上，電路板外可罩一殼體，殼體上引出輸入電壓VIN、微變電容的正負(fù)極、頻率輸出FOUT等接線端子。
本實(shí)用新型可對(duì)電容式傳感器中微變電容的微小變化量ΔC進(jìn)行線性好、精度高、溫漂低的電容-頻率(C-F)變換。
權(quán)利要求1．一種電容微變式壓力傳感器變送器，由穩(wěn)定電壓源、電容-頻率變換電路、隔離緩沖電路構(gòu)成，電容-頻率變換電路的輸出接隔離緩沖電路的輸入，其特征在于所述穩(wěn)定電壓源由基準(zhǔn)電壓源、運(yùn)放和晶體管構(gòu)成，所述基準(zhǔn)電壓源和所述晶體管的輸出分別接所述運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，所述運(yùn)放的輸出接所述晶體管的輸入；所述電容-頻率變換電路由微變電容、比較器、跟隨器構(gòu)成，所述微變電容的正極接跟隨器的輸入，跟隨器的輸出接比較器的一個(gè)輸入端，比較器的另一個(gè)輸入端與其輸出端之間連接電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的輸出與所述微變電容的正極之間串接充放電電阻網(wǎng)絡(luò)；所述隔離緩沖電路由緩沖器、積分電路、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，所述比較器的輸出和所述基準(zhǔn)電壓源分別接所述緩沖器的兩個(gè)輸入端，所述緩沖器的輸出經(jīng)所述積分電路接所述驅(qū)動(dòng)器的輸入。
2．如權(quán)利要求1所述的電容微變式壓力傳感器變送器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的輸出端與地之間連接阻容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
3．如權(quán)利要求1所述的電容微變式壓力傳感器變送器，其特征在于所述充放電電阻網(wǎng)絡(luò)由二極管與一電阻并聯(lián)后再與一電阻串聯(lián)構(gòu)成。
4．如權(quán)利要求1所述的電容微變式壓力傳感器變送器，其特征在于所述晶體管的輸出經(jīng)一分壓支路接運(yùn)放的一個(gè)輸入端。
專利摘要本變送器由穩(wěn)定電壓源、C－F變換電路、隔離緩沖電路構(gòu)成。穩(wěn)定電壓源由基準(zhǔn)電壓源、運(yùn)放和晶體管構(gòu)成,基準(zhǔn)電壓源和晶體管的輸出分別接運(yùn)放的兩個(gè)輸入端,運(yùn)放的輸出接晶體管的輸入;C－F變換電路由微變電容、比較器、跟隨器構(gòu)成,微變電容經(jīng)跟隨器接比較器的輸入端;隔離緩沖電路由緩沖器、積分電路、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成,比較器的輸出和基準(zhǔn)電壓源分別接緩沖器的兩個(gè)輸入端,緩沖器的輸出經(jīng)積分電路接驅(qū)動(dòng)器的輸入。它可對(duì)電容式傳感器中微變電容的微小變化量ΔC進(jìn)行線性好、精度高、溫漂低的電容－頻率變換。
文檔編號(hào)G01L1/14GK2320996SQ9721838
公開日1999年5月26日 申請(qǐng)日期1997年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者陳文遠(yuǎn), 谷良 申請(qǐng)人:陳文遠(yuǎn), 谷良