【文章內(nèi)容簡介】 1C 與介質(zhì)為液體部分的電容 2C 的并聯(lián)， 圖 42 電容式液面計 即 21 CCC ?? 因為 ? ?rR xhC ln21 ?? ??，rRxCln22 ???? 式中 h—— 電極高度 R—— 外電極的內(nèi)半徑 r—— 內(nèi)電極的外半徑 所以 ? ? ? ? bxarRrRhrRxhxC x ????????ln2ln2ln2 ?????????? ? （ 43） 式中rRha ln2???， ? ?rRb xln2 ???? ??均為常數(shù)。 式 43 表明，液面計的輸出電容 C 與液面高度 x 成線性關(guān)系。 變極距型 基本的變極距型電容式傳感器有一個定極板和一個動極板，如圖 43 所示當(dāng)動極板隨被測量變化而移動時，兩極板的間距 d 就發(fā)生了變化，從而也 就改變了浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 兩極板間的電容量 C。 圖 43 基本的變極距型電容傳感器 設(shè)動極板在初始位置時與定極板的距離為 0d ，此時的初始電容量為 00 dSC ?? （ 36） 當(dāng)被測量的變化引起間距減小了 d? 時，電容量就變?yōu)? ???????? ?????????? ??????????? ??????202000001111dddddAdddAddAC??? （ 44） 當(dāng) 0dd??? 時， 11202 ???dd ，則式（ 44）可以化簡為 0000011ddCCdddAC ??????????? ???? （ 45） 此時電容變化量0001 ddCCCC ????? （ 46） 這時 1C 與 d? 近似呈線性關(guān)系，所以改變極板距離的電容式傳感器往往是設(shè)計成 d? 在極小范圍內(nèi)變化的。 另外，由圖 44 可以看出，當(dāng) 0d 較小時，對于同樣的 d? 變化引起的電容變化量 C? 可以增大，從而使傳感器的靈敏度提高，但 0d 過小時，容易引起電容器擊穿，改善擊穿條件的辦法是在極板間放置云母片，如圖 45 所示，此時電容 C變?yōu)? 000 ???ddACgg ?? （ 47） 柔性鉸鏈運動的測量與控制系統(tǒng) 式中， g? 為云母片的相對介電系數(shù)， 7?g? ； 0? 為空氣的介電常數(shù)， 10?? ；gd 為云母片的厚度； 0d 為空氣厚度 圖 44 電容量與極板距離的關(guān)系 圖 45 放置云母片的電容器 差動式變極距型電容傳感器 當(dāng)動極板向上移動 d? 時，由式（ 45）可得 0001 ddCCC ??? ， 0002 ddCCC ??? 電容總變化量0012 2 ddCCCC ????? (48) 比較 式 （ 46）和（ 48）可見，采用差動結(jié)構(gòu)可使傳感器的靈敏度提高一倍。由于差動結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差， 圖 46 差動式電容器 所以在本次設(shè)計中將采用這種結(jié)構(gòu)。 電容式 傳感器轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電橋 圖 47為電容式傳感器所用的變壓器電橋的電路原理 [10]。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 圖 47 轉(zhuǎn)換電橋電路 當(dāng)電橋輸出端開路（負(fù)載阻抗為無窮大時），電橋的輸出電壓為 211202 ZZ ZZUU SC ????? （ 49） 以111CjZ ?? ,221CjZ ?? 代入上式可得 212102 CC CCUU SC ???? （ 410） 式中， C1和 C2—— 差動電容式傳感器的電容。即 ?? ? ??? 0 01 AC ?? ? ??? 0 02 AC 則 002 ?????? UUSC （ 411） 由式（ 411）可見，變壓器式電橋在輸出阻抗極大的情況下，對于極距變化型電容式傳感器，其輸出電壓也與極板位移呈線性關(guān)系。 相敏檢波電路 如圖 48 所示是高輸入阻抗線性全波檢波電路圖 [11] 柔性鉸鏈運動的測量與控制系統(tǒng) 圖 48 高輸入阻抗線性全波檢波電路 它采用同相端輸入。 SCu 0 時， VD1導(dǎo)通、 VD2截至， N2的同相輸入端與反相輸入端相同信號，得到 Ou = SCu 。 SCu 0時， VD1截至， VD2導(dǎo)通，取 R1=R2=R3=R4/2，這時 N1 的輸出為 SCSCA uuRRu 2)1( 12 ??? （ 61） N2的輸出為 SCSCSCASCO uuuRRuuRRu ??????? 43)1( 3434 （ 62） 所以 Ou = SCu 相敏檢波后的輸出信號 Ou 為含有直流分量的周期信號，其包含高次諧波，故進(jìn)行低通濾波。 37,CR 構(gòu)成一階低通濾波 [12]，其截至頻率 Hf 應(yīng)遠(yuǎn)小于 )(tUo 信號的頻率。 MCS51 單片機 如圖 49，是 89C2051[13]引線排列圖 （ 1） I/O 口線 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 P0,P1,P2,P3 均為 8 位的并行 I/O 口，它們的引線為： ， ， ，共 32 條引線可以全部用來做 I/O 線，還可以將其中部分用作單片機的片外總線。在進(jìn)行外部擴展時， P2 口為高 8 位地址線（ A15A18），P0 口得 8 根引線是低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)用線。 （ 2） 控制線 A、 ALE 地址鎖存允許 當(dāng)單片機訪問外部存儲器時，輸出信號 ALE 用于鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址 A7A0。 ALE 的輸出頻率為時鐘振蕩頻率的 1/6. B、 EA 程序存儲器選擇 EA =0，單片機只訪問外部程序存儲器。 EA =1，單片機先訪問內(nèi)部程序存儲器，若地址超過內(nèi)部程序存儲器的范圍，單片機將自動轉(zhuǎn)為訪問外部程序存儲器。 C、 PSEN 片外程序存儲器允許 PSEN 片外程序存儲器的選通信號。在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序時， PSEN 無輸出始終為高電平。 D、 RET 復(fù)位信號輸入 （ 3）電源及時鐘 圖 49 89C2051 引線排列圖 VSS 地端接地線 VCC 電源端接 +5V XTAL1 和 XTAL2 接晶震片或外部振蕩信號源 18 位 AD7674 AD7674 是 18 位、 800kSPS，采 樣保持電路可調(diào)負(fù)載的全差分輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器， 5V單電源供電。器件內(nèi)部包含 18 位的高速 AD 轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換時鐘、基準(zhǔn)緩沖器及錯誤校準(zhǔn)電 路，并具有工作模式可調(diào)串口和并口 [14]。器件的主要特性柔性鉸鏈運動的測量與控制系統(tǒng) 如下： ? 18 位分辨率，且沒有代碼丟失； ? 采用采樣保持電路，沒有通道延時問題； ? 全差分輸入范圍：177。 VREF（可達(dá) 5V）； ? 大的數(shù)據(jù)吞吐量： 800kSPS（ Warp 模式）； ? 666kSPS（ Normal 模式）； ? 570kSPS（ Impulse 模式）； ? 積分非線性誤差 INL：最大為177。 ； ? 動態(tài)范圍： 103dB（當(dāng) VREF＝ 5V）； ? 由 3V或 5V供電的并口（可工作于 18 位、 16 位或 8 位模式）和串口； ? 片內(nèi)基準(zhǔn)緩沖； ? 5V單電源供電； AD7674 引腳 如圖 410 所示 圖 410 AD7674 引腳圖 如圖 411 是 AD7674 與單片機的接口電路圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 圖 411 AD7674 接口電路圖 單片機的轉(zhuǎn)換結(jié)果分三次進(jìn)行，當(dāng) 0A 為 0 1A 為 0 時讀取高 1710~DD 位，當(dāng) 0A為 1 1A 為 0 時讀取 92 ~DD 位，當(dāng) 0A 為 1 1A 為 1 時讀取低 2 位。 18 位 DAC9881 T1 公司的 DAC9881 是目前最高精確度的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。串行輸入、電壓輸出、單電源供電。它采用成熟的 HPA07 COMS 加工技術(shù)，分辨率達(dá)到 18 b，采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI(Serial PeripheralInteRFace)串行數(shù)據(jù)輸入方式，輸入數(shù)據(jù)時鐘頻率可達(dá) 50 MHz，最低有效位穩(wěn)定至 1 LSB，時間僅為 5μ s，滿足 DSP， MCU，F(xiàn)PGA 等系統(tǒng)的快速性要求。輸出電壓信號 的最大值取決于外部參考電壓+VREF，它的范圍為 ～ V；單通道輸出；持續(xù)工作時典型功耗為 4 mw；最大積分非線性為177。 2 LSB(INL)；最大微分非線性為177。 1 LSB(DNL)；具有超寬的工作溫度范圍： 40～ +125℃。該 DAC 芯片的特點是具有線性性質(zhì)優(yōu)良，噪音低和輸出轉(zhuǎn)換特性快速；該芯片通過采用復(fù)雜的低噪音緩沖器，使噪音比采用外接元器件構(gòu)成同等精度的 DAC 轉(zhuǎn)換器減少 75％，其噪音比為 24 nV／ Hz。配置柔性鉸鏈運動的測量與控制系統(tǒng) 可編程掛起 (低電壓模式 )和運行功能，可以使系統(tǒng)在不需要進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換時將DAC 芯片掛起， 此時輸出近似為 0． 000 0 V，功耗降到 125μ W，直到接收到寫命令操作為止。這樣既可顯著地降低系統(tǒng)的功耗，同時還能夠保證在接到寫命令操作后正常寫人數(shù)據(jù)，無需外加電源控制電路，簡化設(shè)計步驟。 DAC9881 引腳如圖 412 所示。 DAC9881 與單片機接口如圖 413 所示， 主要功能介紹如表 1所示 圖 412 DAC9881 引腳圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 圖 413 DAC9881 接口電路圖 表一 DAC9881 引腳功能 引腳號 引腳名 功能 1 SCLK SPI 外接串行時鐘輸入 2 SDI SPI 外接串行數(shù)據(jù)輸入 3 LDAC 工作控制端，低電平有效 8 VOUT 電壓輸出端 17 RST 復(fù)位，低電平有效 18 PND 低電壓模式使能 19 CS 片選信號，低電平有效 23 SDO SPI 總線串行數(shù)據(jù)輸出 該 DAC 芯片為 18 位轉(zhuǎn)換器，當(dāng)系統(tǒng)的滿量程輸