【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高[26]。 本章小結(jié)通過(guò)對(duì)電容位移傳感器的各種測(cè)量電路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電容位移傳感器性能的好壞關(guān)鍵在于測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。而目前不管是哪一種類型的電容位移傳感器，其都存在著抗干擾性差、漂移明顯的問(wèn)題，而這兩個(gè)問(wèn)題也成為制約電容傳感器發(fā)展的瓶頸。分析其原因[27,28]，一方面整個(gè)測(cè)量電路中，分立阻容元件非常多、集成度低，電路特性受到諸多參數(shù)的影響，因此很難保證較高的穩(wěn)定性；用到了大量的放大器、模擬濾波器等產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的元器件，導(dǎo)致工作過(guò)程中漂移現(xiàn)象明顯。另一方面，傳統(tǒng)電容位移傳感器由于測(cè)量電路龐大復(fù)雜，普遍采用與測(cè)頭分立式設(shè)計(jì)，被測(cè)模擬量從測(cè)頭輸出要經(jīng)過(guò)電纜傳輸給測(cè)量電路進(jìn)行處理，模擬量在這一段傳輸過(guò)程中，又引入了電纜電容，該電容值高達(dá)上百，并與傳感器電容并聯(lián)，降低了傳感器靈敏度，電纜擺放位置和其形狀變化都將引起電纜電容發(fā)生變化，使得傳感器工作不穩(wěn)定。因此在電路搭建過(guò)程中應(yīng)注意這些問(wèn)題，盡可能的體現(xiàn)出電路的優(yōu)點(diǎn)。第四章 采用脈沖調(diào)寬原理設(shè)計(jì)的微小位移測(cè)量?jī)x 測(cè)量電路結(jié)構(gòu)及工作原理 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 Differential PWM Circuit。第一差動(dòng)電容和第二差動(dòng)電容為被測(cè)差動(dòng)電容。第一比較器的同相輸入端連接參考電壓，第一比較器的反相輸入端與第一差動(dòng)電容的一端連接，電容的另一端接地，第一比較器的輸出端與一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第一輸出端連接；第二比較器的同相輸入端連接參考電壓，反相輸入端與第二差動(dòng)電容的一端連接，電容另一端接地，第二比較器的輸出端與觸發(fā)器的第二輸入端連接。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端各連接一個(gè)電阻、同時(shí)在電阻兩端各并聯(lián)一個(gè)二極管、電阻的另外一端連接差動(dòng)電容的一端（非接地端）。最后從雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端各引出一根導(dǎo)線通過(guò)低通濾波器，即可得到輸出電壓[29,30]。電路結(jié)構(gòu)如上所述，下面介紹該電路的工作原理。當(dāng)接通電源后，假若觸發(fā)器端為高電平（設(shè)為），端為低電平（0），這觸發(fā)器通過(guò)電阻對(duì)電容充電；當(dāng)點(diǎn)電位升到與參考電壓相等時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使端為低電平，端為高電平（）。此時(shí)，電容通過(guò)二極管迅速放電至零，而觸發(fā)器端經(jīng)向充電；當(dāng)點(diǎn)電位與參考電壓相等時(shí)，比較器輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，如此交替激勵(lì)，循環(huán)上述過(guò)程。該過(guò)程可簡(jiǎn)化為下面的流程： 觸發(fā)器兩端輸出極性相反、寬度取決于和的脈沖。有分析可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容、調(diào)制。當(dāng)=時(shí)，和兩端電平的脈沖寬度相等，、兩點(diǎn)間的平均電壓值為零。當(dāng)時(shí)，有圖可見(jiàn)，、兩點(diǎn)間的平均電壓值不為零[31,32]。 （a） （b） 各點(diǎn)的波形圖 The Waveform Graph of Each Point 根據(jù)電路知識(shí)可知：、兩點(diǎn)的電位分別是 ， （41）其中，、點(diǎn)和點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； 、分別為和充電至的所需時(shí)間； 觸發(fā)器輸出的高電位。、的充放電時(shí)間、為： ， （42）、兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后獲得，等于、兩點(diǎn)電位平均值與之差，即 （43）設(shè),再把、代入式（43），則得 （44）式（44）說(shuō)明差動(dòng)脈寬調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器，把平行板電容器的公式代入式（44）中可得 （45）當(dāng)差動(dòng)電容，即時(shí)，；若，設(shè)，即 ，則式（44）即為同樣，對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來(lái)說(shuō)，則有 （46）設(shè)電容初始有效面積為，變化量為，則濾波器輸出為： （47） 由此可見(jiàn)，對(duì)于脈寬調(diào)制電路，不論改變平行板電容器的極板面積或是板間距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系?？傊?，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)過(guò)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。這些特點(diǎn)都是其他電容測(cè)量電路所無(wú)法比擬的。但是，要實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制必須做到[33]：（1）使參考電壓小于觸發(fā)器輸出高電平；（2）當(dāng)電容充電電壓大于參考電壓時(shí)，要能引起比較器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；（3）雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須一端高電位，另一端低電位，不能同時(shí)存在高電位或低電位。另外，為消除分布電容的影響，調(diào)寬線路比較器采用集成電路，要求高分辨能力、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高輸入阻抗。此外，兩比較器性能應(yīng)盡量相同，溫度輸入漂移應(yīng)低[34,35]。所以在選擇元器件時(shí)應(yīng)注意這些細(xì)節(jié)。 測(cè)量電路元件選擇電路中涉及的元器件有：電壓源、比較器芯片、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、非門芯片，電阻電容，二極管等，下面一一介紹。總電路需要一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源提供電壓。選擇YB1731A 5A雙路直流穩(wěn)壓電源，該電源有如下特點(diǎn)： （1）用四組LED顯示器分別指示兩路電壓和電流值； （2）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能且穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換； （3）采用電流限制保護(hù)方式而且限流點(diǎn)可任意調(diào)節(jié)； （4）兩路輸出電壓可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，在串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，可由一路主電源進(jìn)行電壓或電流(并聯(lián))跟蹤； （5）具有過(guò)載和短路保護(hù)功能。YB1731A 5A相關(guān)技術(shù)參數(shù)： 輸出電壓 030V；輸出電流05A；負(fù)載效應(yīng)CV 510^4+2mV ，CC 510^3+10mA；電源效應(yīng) CV 110^4+，CC 510^3+1mA；紋波及噪聲 CV 1mVrms，CC 1mArms；顯示精度 177。1%+2個(gè)字；工作溫度 0~40176。C；可靠性MTBF ≥2000h；電源電壓 AC 200V177。10%。50Hz177。5%。 脈沖調(diào)寬測(cè)量電路中，要求參考電壓源提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電壓，設(shè)計(jì)中選擇通過(guò)滑動(dòng)變阻器分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中滑動(dòng)變阻器的供電電壓為上述電源所提供。參考電壓電路如圖 參考電壓電路 Reference Voltage Circuit比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即零電平和電源電壓。在選擇比較器時(shí)，比較器的輸出延遲時(shí)間是選擇的關(guān)鍵參數(shù)，延遲時(shí)間包括信號(hào)通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延遲和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，高速的比較器對(duì)電路的響應(yīng)具有重要作用。通過(guò)考慮，選擇了比較專業(yè)的電壓比較器LM339/LM339N，下面介紹一下該芯片結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技巧。 LM339引腳圖 Pin Diagram of LM339 LM339集成塊采用C14型封裝。它內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：（1） 失調(diào)電壓小，典型值為2mV；（2）電源電壓范圍寬，單電源為236V，雙電源電壓為177。1V177。18V；（3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；（4）共模范圍很大，為0~（）Vo；（5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；（6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另外加一個(gè)帶比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選315K）。選擇不同的阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。脈沖調(diào)寬電路中要求通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入端高、低電位的變化實(shí)現(xiàn)輸出端高、低電位的變化。設(shè)計(jì)中采用了由四個(gè)RS鎖存器構(gòu)成的74LS279雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 74LS279引腳圖 Pin Diagram of 74LS279 由圖可知，四個(gè)鎖存器中有兩個(gè)具有兩個(gè)置位端（，）。當(dāng)為低電平，為高電平時(shí)，輸出端為高電平；當(dāng)為高電平，為低電平時(shí)，為低電平；當(dāng)和均為高電平時(shí)，被鎖存在已建立的電平中；當(dāng)和均為低電平時(shí)，為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。因此可得其真值表如下： 74LS279真值表 注：1為高電平，0為低電平 True Value Table of 74LS279 Note:1High Level,0Low Level 輸 入 輸 出 0 0 0 不穩(wěn)定高電平 0 0/1 1 1 0/1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 不變 74LS279的推薦工作條件：，一般取=5V；；；輸出高電平電流滿足400，輸出低電平滿足8；脈沖寬度不得小于20ns；工作溫度區(qū)間為40℃85℃。由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS279沒(méi)有輸出端，因而考慮在端之后加接一個(gè)非門芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯片型號(hào)為74HC04。 74HC04引腳圖 Pin Diagram of 74HC04推薦工作條件：電源電壓滿足26，一般取=5V；；；輸入電壓最大可達(dá)到；輸出電壓最大可達(dá)到。設(shè)截止頻率為ωc ，頻率低于ωc 的信號(hào)可以通過(guò)，高于ωc 的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為低通濾波器。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓。由差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖（）可知，只需經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器即可得到直流輸出電壓。通常來(lái)說(shuō)，濾波器分為有源濾波器與無(wú)源濾波器兩種，低通濾波器也不例外，在這里將分別介紹這兩種濾波器在該設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。首先，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的一階無(wú)源低通濾波器， 一階無(wú)源低通濾波器 The Firstorder Passive Lowpass Filter電路中只包含一個(gè)電阻，一個(gè)電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能。但它的負(fù)載能力差，對(duì)于直流信號(hào)，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，信號(hào)將無(wú)衰減的輸出；但外電路有負(fù)載時(shí)，信號(hào)將會(huì)被衰減。由電路可得，該電路的傳遞函數(shù)為 （48）其中 ，稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)上式求傅立葉變換可得