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，必須借助信號調理電路，將微小電容的變化轉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，大多數電容式傳感器信號調理電路使用分立元件或者專門去開發專用集成電路（ASIC）。因為差動電容式傳感器的電容量很小，傳感器的調理電路往往受到寄生電容和環境變化的影響而難以實現高精度測量；而由德國AMG公司開發的CAV424集成電路則能有效地減小這些影響所帶來的誤差，因而具有較大的應用靈活性。

設計中的傾角傳感器是新型變質面積電容式傾角傳感器。該傾角傳感器技術是為數不多的能夠兼有結構簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優點的傾角傳感器技術之一。在測量儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術、汽車四輪定位等方面有廣泛應用。

1、系統工作原理

系統硬件結構模塊框圖如圖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把電容的變化值轉換成兩個不同的電壓值。這兩路電壓經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進行溫度補償處理。因而該系統具有較高的精度和靈敏度。

2、系統各部分電路設計

2.1 差動電容／電壓轉換電路設計

考慮到差動電容的容量很小，傳感器的調理電路往往易受到寄生電容和環境變化的影響，因此采用德國AMG公司開發的CAV424作為差動電容的信號調理電路。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，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，原理如圖1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動2個構造對稱的積分器，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換成直流電壓信號，并經過輸出可調的差分級輸出。只要簡單調整很少的元件，就可以改變低通濾波器的濾波常數和放大倍數。

參考振蕩器對外接的振蕩器電容Cosc和與它相關的內部寄生電容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內部信號調理后的輸出，在理想狀況下應為

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設計

實際的差動電容／電壓轉換電路如圖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，穩定參考電壓VM的電容負載C15=C25=100 nF，電流調整電阻R11=R12=R21=R22=500kΩ。參考振蕩器電流設定電阻R13=R23=250kΩ。為了調整VLPOUT，把輸出級電阻均調整為100kΩ的電位器。另外，為了提高電路的穩定性，在CAV424的引腳4和地之間接了10nF的電容C16和C26。

  

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