Использование емкостных датчиков при преобразовании емкости в цифровой код

Содержание.

лист

Введение

1.Классификация и основные параметры емкостных датчиков.

2.Емкостной датчик движения.

3.Преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора.

3.1Подключение емкостных датчиков.

3.2Сигма-дельта АЦП.

3.3 Емкостный датчик длины или перемещения.

3.4Применение преобразователя CDC.

Заключение

Литература

КП.2-40 02 02.09.25.04

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Содержание

Лит.

Лист

Листов

Пров.

К

3

Н. контр.

Утв.

Введение.

Техника конструирования  и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:

- миниатюрность (возможность встраивания)

- дешевизна (серийное производство)

- механическая прочность

Понятием «датчик» в  общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь  измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления.

Цель работы: исследование использования емкостного датчика  при преобразовании емкости в  цифровой код.

Задачи работы: 

1.Рассмотреть классификацию и основные параметры емкостных датчиков.

2.Ознакомиться с емкостными датчиками движения.

3.Изучить преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора.

Лист

4

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

1.Классификация и основные  параметры емкостных датчиков.

Работа емкостных датчиков заключается в преобразовании измеряемой величины в емкостное сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип действия емкостных датчиков основан на зависимости емкости конденсатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Емкость конденсатора, имеющего две плоские обкладки.

C=εε₀ѕ/d              (1),

где ε - относительная  диэлектрическая проницаемость  среды между обкладками; ε₀ – диэлектрическая постоянная (ε₀=8.85*10^-12Ф/м); ѕ- площадь обкладок; d- расстояние между обкладками.

Из (1) следует, что изменение  емкости конденсатора может происходить  из-за изменения любой из трех величин: ε, ѕ, d. Наибольшее распространение  получили емкостные датчики, измеряющие линейные перемещения. На рисунке 1, а, б показаны схема емкостного датчика линейного перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала - перемещения x.

На рисунке 2, а, б показаны схема емкостного датчика углового перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала – угла поворота α. В этом датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок – пластин 1 и 2. Одна из пластин 1 неподвижна, другая 2 – может поворачиваться на оси относительно пластины 1. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (на рисунке 2, а отмечена штриховкой).

На рисунке 3 показан емкостный датчик уровня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

                    а)                                                  б)

Рисунок 1 Емкостной датчик линейного перемещения

Лист

5

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

а)                               б)

Рисунок 2 Емкостной датчик углового перемещения

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное  сопротивление обратно пропорционально частоте питания  
Xc=1/(ωC)=1/(2πfC), где ω=2πf— угловая частота; f— частота, Гц.  
При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. Применение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повышенной частотой (400 Гц и больше).

Рисунок 3 Емкостный датчик уровня

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению измеряемой величины. Для простого плоского двухобкладочного емкостного датчика линейного перемещения е воздушным зазором емкость

С= 8,85* I0^-12s/(d_нач+x)                    (2)

где d_нач — начальное расстояние между пластинами площадью s. Начальное расстояние d_нач  выбирается по конструктивным соображениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора. Для воздуха пробивное напряжение составляет порядка З кВ на 1 мм, Минимальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствительных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм. Чувствительность плоского емкостного датчика получаем дифференцированием уравнения (2):

Sд=dС/dx=-8.85*10^-12*s/(d_нач+x)²          (3)

Чувствительность, как  следует из (3) и графика (рисунок 1,б), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х, Она максимальна при малых входных сигналах (когда пластины расположены близко друг к другу).

Лист

6

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увеличить повышением‚напряжения питания моста. Однако и здесь необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластинами. Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помешают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкостным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряжения. Однако при этом необходимы специальные меры по экранированию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

В емкостном датчике  давления (рисунок 4) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1. воспринимающая давление Р. другая обкладка 2 датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что и мембрана 1. Между обкладками конденсатора имеется начальный воздушный промежуток d_нач, Под воздействием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее перемещение δ имеет центр мембраны. Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика.

Непосредственное объединение  чувствительного элемента (мембраны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов обеспечивает простоту конструкции и высокую надежность, а отсутствие потерь на трение обусловливает высокую чувствительность по давлению такого датчика. При взаимном перемещении пластин в конденсаторе изменяется энергия электрического поля, что приводит к появлению усилий, приложенных к пластинам.

Энергия электрического поля в конденсаторе

Wэ=C*U²/2                              (5)

Сила, действующая на пластины, определяется как производная энергии по перемещению

Fэ=dWэ/dx=U²/2*dC/dx          (6)

Рисунок 3 Емкостный датчик уровня

Лист

7

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 4 Емкостный датчик давления

Для повышения  точности и чувствительности, а также с  целью уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно выполнить дифференциальным (рисунок 5) и включить, а мостовую схему.

Дифференциальный емкостной датчик представляет собой плоский конденсатор с металлической обкладкой 1. на которую действует измеряемая сила F.Обкладка 1 закреплена на упругой подвеске 6 и пол действием силы Е перемещается параллельно самой себе.

 Две неподвижные обкладки 2 и З изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и 5. . При отсутствии силы F обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2 и З. При этом емкость конденсатора образованного пластинами 1 и 2. равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и З: С_1-2 = С_1-3 = С. Под воздействием измеряемой силы F, преодолевающей  противодействие упругой подвески 6, обкладка 1 перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсаторов получают приращения разных знаков:

C_1-3=C+ΔC; C_1-2=C-ΔC

Поскольку эти емкости  включены в смежные плечи мостовой схемы; чувствительность измерительной  схемы возрастает вдвое. Силы действующие  между парами обкладок, направлены противоположно друг другу т. е, взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряжение в измерительной диагонали моста ΔU зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходного напряжения на 180° .

Рис. 8.5 Дифференциальный емкостной датчик в мостовой схеме

Лист

8

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения  с изменяющейся площадью взаимного  перекрытия пластин по рисунок 2 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Такие воздушные конденсаторы переменной емкости применяются, например, для настройки радиоприемников

Если пластины имеют  форму Половины круга (как на рисунке 2), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окружности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:

C=8.85*10^-12s(n-1)α/(d*180)                   (7)

где n — общее количество неподвижных и подвижных пластин; s -— площадь взаимного перекрытия пластин при α=0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d -— постоянное расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.

Диапазон изменения угла поворота α от 0 де 180°. Все подвижные пластины электрически соединены между собой, а все неподвижные также соединены между собой. Таким образом, имеется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая емкость, как известно, равна сумме емкостей параллельно соединенных конденсаторов.

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1°. т. е.

Sd=8.85*10^-12s(n-1)/(180d)                     (8)

Датчики угловых перемещений используют в мостовых измерительных схемах. Для повышения чувствительности возможно применение дифференциального датчика, показанного на рисунке 6. При повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной 2 и уменьшается емкость между пластиной 1 и неподвижной пластиной 3.Дифференциальная схема, как уже отмечалось, обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммарная емкость датчика остается неизменной.

Рисунок 6 Дифференциальный емкостной датчик повышенной чувствительности

Лист

9

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

На рисунке 7 показан емкостный датчик с цилиндрическими обкладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить металлический бак или резервуар с внутренним радиусом r₁, вторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилиндра с наружным радиусом r_2.

Рисунок 7 Емкостной датчик уровня с цилиндрическими обкладками

Если резервуар заполнен до уровня х жидкостью с диэлектрической  проницаемостью ε_и, емкость датчика можно представить как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов;

C=C_x+C_L-x                                       (9)

где С — емкость  нижней части резервуара, заполненной  жидкостью; С — емкость верхней  части резервуара, заполненной воздухом. Чувствительность такого датчика тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость ε_и материала, уровень которого измеряется.

Общая формула для  емкости конденсатора с цилиндрическими  обкладками

C=ε₀ε*l/2ln(r_l/r₂)                 (10)

где l— длина обкладок.

Для емкости нижней части датчика

Cx=ε₀ε_и*x/2ln(r_l/r₂)             (11)

Для емкости верхней  части датчика

C_L-x=ε₀*(L-x)/2ln(r_l/r₂)        (12)

Подставляя (11) и (12) в (9). получим

C=ε₀/2ln(r_l/r₂)[L+(ε_и-l)x]     (13)

где L — высота обкладок датчика, т. е, максимальный уровень заполнения резервуара.

Чувствительность датчика  определяем. дифференцируя (13) по уровню

S_л=ε₀(ε_и-l)/2ln(r_l/r₂)            (14)

Из уравнения (14) видно, что чувствительность датчика постоянна  во всем диапазоне измерений. При  измерении уровня химически агрессивных жидкостей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием. Измерение уровня с помощью емкостных датчиков используется в космической в авиационной технике, химии, нефтехимии, других отраслях промышленности.

Емкостные датчики нашли применение также для автоматического измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их

Лист

10

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

изготовления.

Рассмотрим емкостный  датчик (рисунок 8) для измерения толщины материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты).

Рисунок 8 Емкостной датчик толщины ленты

Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью  роликов 2 контролируемый материал 3. Емкость  датчика, представляющего собой  плоский двухобкладочный конденсатор с двухслойным диэлектриком,

C=ε₀s/(d-(l-l/ε_и)Δ)                        (15)

где s — площадь обкладок; d— расстояние между обкладками; Δ - толщина контролируемого материала; ε_и— диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чувствительность датчика

Sл=ε₀(l-ε_и)/[d-(l-l/ε_и)Δ]²                         (16)

Чем меньше разница между d и Δ , чем больше диэлектрическая  проницаемость материала ε_и, тем выше чувствительность. Повысить чувствительность измерения е помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Включение емкостного датчика  в мостовую схему (см. рисунок 5), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафиксировать изменения емкости на 0,1 %. Более высокую чувствительность позволяет получить так называемая резонансная схема.

В этом случае емкостный  датчик включается в колебательный  конур совместно с индуктивным  сопротивлением. Резонансная схема показана на рисунок 9. а.

Рисунок 9 Резонансная измерительная схема включения емкостного датчика

Лист

11

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Высокочастотный генератор 1 имеет частоту напряжения f_г и питает индуктивно связанный с ним контур, состоящий из индуктивности L_к, подстроечного конденсатора С₀ и емкостного датчика С_д. Напряжение U_к, снимаемое с контура, усиливается усилителем 2 и измеряется прибором 3, шкала которого может быть проградуирована в единицах измеряемой величины. При помощи подстроечного конденсатора С₀ контур настраивается на частоту f₀ близкую (но не равную) к частоте генератора.

Настройка производится при средней емкости датчика  в диапазоне возможных изменений  измеряемой величины C_д0=(C_max+C_min)/2.

В результате настройки  напряжение U_к, снимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рисунке 9 б). чем напряжение при резонансе U_р (точка 0 на рисунке 9, б). Таким образом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине одного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001 %) и примерно линейная шкала измерительного прибора 3. Малейшее перемещение подвижной пластины датчика С_д приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости (С_д0 - ΔС) приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости (С_д0 + ΔС) - к резкому уменьшению напряжения. При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроечного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения, и наоборот.

Резонансная частота  контура определяется из условия резонанса (равенства емкостного и индуктивного сопротивлений) 2πfL=1/(2πfC).

Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная составляющая сопротивления контура.

Лист

12

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

2.Емкостной датчик  движения.

Устройство реагирует  на приближение руки к металлическому предмету, например замку, сейфу, или  же на касание охраняемого предмета. Датчиком может служить и любая  электропроводная пластина с размерами  примерно 200х200 мм. Чувствительность датчика зависит от настройки и может составлять до 20 см.

Отличительной особенностью приведенных схем емкостных датчиков является их малое потребление (работа в режиме микротоков), что позволяет  применять автономное питание.

В основе работы схемы (рисунке 10) используется принцип изменяемой емкости. При поднесении руки к датчику WA1 в колебательный контур автогенератора на транзисторе VT1 вносится емкость, и его частота меняется. Начальная частота автоген ератора около 280 кГц. Схема настраивается так, чтобы второй колебательный контур (L2, С7) был в резонансе с частотой автогенератора.

На транзисторе VT4 собран активный детектор ВЧ сигнала. При достаточной  амплитуде напряжения в контуре (L2, С7) VT4 будет находиться в насыщении (при этом VT5 заперт).

Рисунок 10 Схема электрическая  принципиальная

Лист

13

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Цепь из резисторов R6, R7 обеспечивает устойчивую работу схемы  при изменении питающего напряжения от 3,5 до 10В. Резистором R6 можно установить нужную чувствительность датчика.

Транзисторы VT2 и VT3 используются как диоды для стабилизации режимов  работы транзисторов VT1 и VT4 при изменении  питающего напряжения. По сравнению с диодами переход транзистора обеспечивает лучшую стабилизацию напряжения при малых рабочих токах.

Для удобства настройки  схемы к коллектору VT5 можно подключить светодиод с ограничительным  резистором (величина резистора зависит  от напряжения питания и может  быть от 200 до 1000 Ом).

Рисунок 11 Катушки L1 и L2

Лист

14

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 12 Топология печатной платы

Грубая настройка схемы  производится конденсатором С7, плавная  — сердечником катушки L2, а также  резистором R6. Окончательная настройка  устройства проводится с реальным датчиком WA1, с которым схема будет в  дальнейшем работать. При этом если охраняемый предмет имеет большую металлическую поверхность, то может потребоваться установка разделительного конденсатора небольшой емкости (5...100 пФ) между WA1 и контактом 1 схемы.

Катушки L1, L2 намотаны на ферритовом стержне типа 600НН (или 400НН) диаметром 10 мм и длиной 55 мм (см. рисунок 11). Такие ферриты используются в качестве антенны в приемниках на СВ и ДВ диапазонах. Катушка L1 содержит 350 витков, L2 — 250 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,08...0,12 мм, которые распределены равномерно по бумажному каркасу на ферритовом стержне. Сердечник L2 должен перемещаться относительно каркаса.

Постоянные резисторы  применены типа С2-23, подстроечный R6 — СПЗ-19а, конденсатор С10 типа К53-1, остальные конденсаторы типа К10-17. На рисунках 12 и 13 приведена конструкция печатной платы и расположение на ней элементов. Схема датчика размещается в любом пластмассовом корпусе и крепится вблизи отдатчика WA1 (100...200 мм). Устройство может работать совместно с другими схемами охраны в качестве датчика или как самостоятельное охранное устройство при наличии звукового индикатора (рисунок 14).

Лист

15

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Параметры катушек L1, L2 такие  же, как в схеме, приведенной на рисунке 10, катушка L3 намотана на двух склеенных вместе ферритовых кольцах (600...2000НН) и содержит 250 витков того же провода (индуктивность ее около 120 мГн).

Рисунок 13 Расположение элементов

На плате резисторы R1 и R2 располагаются над конденсаторами, что увеличивает плотность монтажа, а конденсатор С10 применен типа К50-16 на 16 В.

При питании схемы  от источника с напряжением 6 В  ток потребления в режиме ОХРАНА не превышает 1 мА, а при звуковом сигнале — 3 мА.

Лист

16

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 14

Лист

17

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

3 Преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора.

Емкостные датчики обладают высокой точностью и довольно низкой стоимостью. Однако разработчики, решившие использовать емкостные датчики в своей конструкции, вынуждены предусмотреть сначала преобразование емкости в напряжение, а затем преобразование этого напряжения в цифровой сигнал с помощью прецизионного АЦП. Сложность конструкции, временные затраты на разработку прототипа и тестирование системы зачастую вынуждают инженеров использовать другие типы датчиков. В итоге система может оказаться более дорогостоящей, менее точной, или и то и другое сразу.

Хотя емкостные  датчики часто применяются в  различных устройствах, существует много вариантов их подключения, сопряженных с определенными  проблемами с точки зрения схем формирования сигнала. Однако существует новый подход — преобразование емкости в код с помощью сигма-дельта модулятора, который обычно является частью прецизионного АЦП. Сигма-дельта модулятор может работать в качестве средства прямого преобразования емкости в цифровой код. Но прежде чем более подробно рассматривать устройство преобразователя емкости в цифровой код (CDC), необходимо уяснить, где применяются емкостные датчики.

Емкостные датчики  изменяют свою емкость в зависимости  от изменения какой-либо физической величины. Область их применения неуклонно  расширяется — от наиболее дорогих и прецизионных промышленных и медицинских систем до простых и дешевых бытовых устройств. Емкостные датчики применяются в устройствах измерения влажности, давления и положения. Также на принципе измерения емкости основаны бесконтактные переключатели, датчики приближения, датчики отпечатков пальцев, измерители уровня жидкости, измерители свойств материалов, качества нефтепродуктов и разнообразные датчики положения.

3.1Подключение емкостных датчиков

Обычно от разработчика, пытающегося применить емкостный датчик, требуется реализовать недорогое, точное устройство, ко входу которого подключается измеряемая емкость. В общем виде измерение емкости производится за счет подачи на электроды емкостного датчика сигнала возбуждения. Изменения емкости датчика преобразуются в изменения напряжения, тока, частоты или ширины импульсов. Существует несколько типичных методов измерения емкости.

«Прямой» метод  подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного  времени и затем измерение  напряжения на конденсаторе. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и высокоимпедансного входа измерения напряжения.

Второй метод  подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей  в RC- генераторе с последующим измерением постоянной

Лист

18

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

времени, частоты или  периода. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.

Еще один подход заключается  в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, при этом измеряется напряжение и ток через конденсатор. При использовании четырехпроводного логометрического подключения (при котором измеряется соотношение импедансов) и синхронного демодулятора можно получить наиболее точный результат. Однако такая схема очень сложна и состоит из многих компонентов.

Наиболее распространенный метод измерения емкости прецизионного  датчика с малой величиной  емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения (рисунок 15). Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем и подходит для некоторых систем при больших объемах производства.

Рисунок 15 Один из методов измерения емкости, основанный на применении зарядового усилителя

Во всех описанных  методиках емкость сначала преобразуется  в напряжение, которое затем преобразуется  в цифровой код при помощи прецизионного  аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В большинстве систем необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Имеется одно существенное преимущество представления сигнала в цифровой форме, даже если в конце концов нам требуется аналоговый сигнал в виде напряжения или тока в петле 4–20 мА. Это преимущество заключается в том, что линеаризацию сигнала датчика, температурную компенсацию и калибровку гораздо легче выполнить в цифровом виде, нежели в аналоговом.

Очень важный аспект при проектировании схем с прецизионными  емкостными датчиками — это способ подключения датчика к схеме. Часто бывает, что разрабатываемое устройство должно иметь весьма ограниченные размеры, и схема обработки сигнала должна быть достаточно компактной для удовлетворения этим требованиям. Иногда необходимо, чтобы датчик был подключен к устройству достаточно длинным кабелем. Помехи, действующие на этот кабель, могут существенно исказить сигнал с датчика, емкость которого

Лист

19

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

зачастую составляет единицы пикофарад. Более того, если расстояние от датчика до устройства обработки сигнала слишком велико, то методы измерений, чувствительные к емкости соединительного кабеля или к токам утечки, могут оказаться совершенно неприемлемыми.

3.2Сигма-дельта АЦП

Хорошо проработанная  технология сигма-дельта преобразования уже многие годы применяется в АЦП с высокой разрешающей способностью. На рисунок 16 упрощенно показана архитектура стандартного промышленного сигма-дельта АЦП. Конденсаторы C_IN и C_REF периодически переключаются между входом сигнала и источником опорного напряжения V_IN и V_REF, «накачивая» заряд интегратора C_INT.

Рисунок 16. Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП

Компаратор контролирует уровень сигнала на выходе интегратора  и управляет фазой переключения входного ключа, замыкая петлю обратной связи и таким образом компенсируя заряды, протекающие через сигнальную (V_IN) и опорную (V_REF) цепи.

Однобитный поток  нулей и единиц, показанный на рисунке 16 на выходе компаратора, меняется в соответствии с величиной заряда, необходимого для балансировки цепи. Этот заряд пропорционален напряжению и емкости. Так как емкость конденсатора в АЦП имеет фиксированную величину, плотность единиц в однобитном потоке соответствует соотношению напряжений на сигнальном входе (V_IN) и на входе опорного напряжения (V_REF). Затем цифровой фильтр обрабатывает этот однобитный поток данных и формирует результат преобразования в цифровом виде.

Такая архитектура  по своей сути является чрезвычайно  эффективной с точки зрения линейности и точности, однако особенностью данной архитектуры является балансирование между разрешающей способностью и быстродействием (частотой обновления данных на выходе). Если цифровой фильтр накапливает больше однобитных данных, это требует больше времени для обработки, но обеспечивает в результате больше разрядов «без дрожания». Разрешающая способность ограничена только шумом системы. Частота обновления данных на выходе ограничена максимальной тактовой частотой, которая соответствует скорости срабатывания электронных ключей, полосе частот интегратора и

Лист

20

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

     быстродействию компаратора.

Посмотрим на список поставляемых аналого-цифровых преобразователей и  ознакомимся с характеристиками типичного сигма-дельта АЦП. Типичный АЦП выдает 24-разрядный код без пропущенных кодов (это косвенно характеризует дифференциальную нелинейность), обеспечивает 18-разрядное разрешение (от пика до пика, то есть 18 стабильных разрядов), интегральная нелинейность составляет 4x10^–6, частота обновления данных на выходе — от 10 Гц до 40 кГц.

Сигма-дельта преобразователь  емкости в цифровой код (CDC)

В обычном сигма-дельта АЦП происходит переключение конденсаторов  фиксированной величины и за счет этого достигается уравнивание  заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе и постоянным сигналом источника опорного напряжения. Но если заряд пропорционален напряжению и емкости, почему бы не зафиксировать входное напряжение и вместо этого не менять емкость?

Модифицированная схема  сигма-дельта модулятора показана на рисунке 17. Фиксированное входное напряжение можно рассматривать как напряжение возбуждения. Конденсатор, емкость которого меняется, будем рассматривать как емкостный датчик. В результате выходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости C_REF.

Рисунок 17 Сигма-дельта АЦП в качестве прямого измерителя емкости

Этот новый  подход позволяет осуществить прямое подключение емкостного датчика  к сигма-дельта преобразователю, что  само по себе обеспечивает такие преимущества, как высокая разрешающая способность, точность и линейность. Кроме того, имеются и другие особенности использования описанной схемы в реальной системе.

Такой интерфейс  не чувствителен к величине емкости  между выводами датчика и «землей» или к току утечки на «землю», если эти величины находятся в пределах, характерных для реальных конструкций.

Преобразователь емкости в цифровой код может  быть воплощен полностью в виде однокристального устройства, что в результате обеспечивает высокую степень интеграции, простоту реализации схемы, высокую повторяемость, высокую надежность, и — последнее по порядку, но не по важности — значительное снижение себестоимости проекта.

Лист

21

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

3.3 Емкостный датчик длины или перемещения.

В качестве примера простого и дешевого емкостного датчика мы выбрали емкостный датчик длины или перемещения (рисунок 18). Принцип его работы прост: полоска, выполненная из диэлектрического материала с известной диэлектрической проницаемостью, перемещается между двумя неподвижными пластинами. Емкость между пластинами при этом изменяется в зависимости от положения пластины.

Рисунок 18 Принцип работы датчика перемещения

Такой датчик можно  реализовать в виде «сэндвича» из фольгированного стеклотекстолита. Две полосы медной фольги внутри этой конструкции образуют две обкладки конденсатора (рисунок 19 а).

Две узкие полоски  стеклотекстолита в среднем слое «сэндвича» задают зазор между обкладками и формируют «туннель», по которому перемещается подвижная полоска (рисунок 19 b).

Рисунок 19 Конструкция  датчика длины или перемещения

Лист

22

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Внешние слои медной фольги, неиспользуемые области, а также  сквозные переходы соединены с «землей» и формируют экран, защищающий датчик от внешних воздействий. Подвижная полоска диэлектрика изготовлена из того же материала (стеклотекстолита), что и печатная плата, но не имеет слоя меди.

3.4Применение преобразователя  CDC.

Описанный выше емкостный  датчик перемещения имеется на оценочной  плате; он изготовлен из обычного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с двусторонним фольгированием.

Подвижная полоска  имеет ширину 10 мм. Начальная емкость (когда полоска не вдвинута в зазор) составляет 4,5 пФ. Емкость изменяется приблизительно на 0,126 пФ на миллиметр  при движении полоски в зазоре между пластинами конденсатора.

Датчик подключен  непосредственно к преобразователю CDC, и таким образом вся схема  преобразователя состоит из одной  ИС (рисунок 20). Преобразователь расположен близко к датчику. Вся схема расположена на той же печатной плате, что и датчик. Преобразователь нечувствителен к паразитной емкости между электродами датчика и «землей», и это сильно упрощает задачу экранирования датчика. Даже дорожки от датчика к преобразователю можно окружить «земляной» поверхностью, получив в итоге структуру, подобную коаксиальному кабелю.

Рисунок 20  Схема  подключения емкостного датчика  к ИС AD7746

Преобразователь AD7746, который используется в этом примере, имеет диапазон измеряемой емкости ±4 пФ. Этот диапазон за счет конфигурирования преобразователя  можно «сместить» на 17 пФ. Типичная величина разрешающей способности в диапазоне ±4 пФ составляет 18 разрядов (без дрожания). Интегральная нелинейность CDC не хуже 0,01%, а за счет заводской калибровки погрешность усиления не превышает 4 фФ (4x10^–15 Ф).

Сопоставление параметров датчика и преобразователя дает нам следующие цифры: полный диапазон перемещения составляет около 65 мм, разрешающая

Лист

23

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

способность — 0,25 мм, интегральная линейность ±7 мм. Однако эти цифры — теоретические, в реальной конструкции они могут отличаться. Механическая точность датчика и стабильность его характеристик — вот основные источники погрешностей, снижающие точность всей системы. Кроме того, деформации электрического поля на концах датчика могут привести к нелинейности его характеристики преобразования.

Еще одним параметром, характеризующим точность, является температурный дрейф характеристик. Диэлектрическая проницаемость  подвижной части датчика изменяется с температурой, и размеры датчика также изменяются с температурой. Собственно преобразователь CDC имеет величину дрейфа около –25 млн^–1/°C. Однако эти погрешности могут быть компенсированы. Если температурный дрейф датчика известен, а значение температуры измерено, то в алгоритме управляющего контроллера можно предусмотреть компенсацию температурной погрешности. Альтернативный метод компенсации такой: можно измерять емкость конденсатора, сделанного в виде точно такого же «сэндвича», что и основной датчик, а затем вычислять результат сравнения емкости датчика и этого «опорного» конденсатора.

Микросхема CDC AD7746 имеет встроенный температурный  датчик, а также второй канал измерения  емкости, так что на базе этой ИС можно реализовать любой из описанных  подходов. ИС предназначена для работы в температурном диапазоне –40…+125 °C, что позволяет размещать ее вблизи датчика. В таком случае температура кристалла AD7746 и температура датчика будут достаточно близки. Но в данной ИС имеется также стандартный дифференциальный вход напряжения и вход опорного источника, поэтому к ней не составит труда подключить внешний датчик температуры (термистор или резистивный температурный датчик RTD).

Лист

24

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Заключение.

В ходе работы было исследовано использование емкостного датчика при преобразовании емкости в цифровой код. Была рассмотрена классификация и основные параметры емкостных датчиков. Ознакомились с емкостными датчиками движения. .Изучили преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора.

Емкостные датчики предназначены  для решения задач промышленной автоматизации, требующих бесконтактного определения присутствия объектов, выполненных из различных материалов, как металлических, так и неметаллических (например, сыпучие материалы, жидкие, зернистые вещества) на расстоянии до 25 мм.

Датчики определяют приближение  и присутствие объектов, поэтому  идеальны для мониторинга уровня заполнения объемов с жидкостью  или сыпучими материалами, а также  для контроля содержания упаковки. Датчики имеют широкий диапазон рабочих температур и большое расстояние срабатывания. Датчики емкостные устойчивы к воздействию электромагнитных полей и соответствуют классу защиты IP 67 для работы в тяжелых условиях эксплуатации.

Лист

25

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата

Литература.

1.Ю.М.Келим “Элементы автоматики и измерительные системы”.

2.Сайт “Паяльник” 2008г.

3.Журнал “Компоненты и технологии”, статья Михаля Брихта, перевод: Алексей Власенко.

Лист

26

Изм.

Лист.

№ докум.

Подп.

Дата