1、2009焦第7期仪表技术与传感器Instrument Technique and Sensor2009No7电容式信号线性转换电压输出的应用电路CAV444施林生1NRauch2(1上海芸生微电子有限公司，上海201108；2Analog Microelectronics GmbH公司，德国MAINZ)摘要：文中介绍一个电容式信号测量并输出线性的电压信号的应用电路CAV444。在192 200pF的很大的电容变化范围内，输出线性的差分电压信号，工作电压5 V，非常适合后级的信号再处理电路比如AD转换或单片机采集或者直接变送420 mA输出。应用于电容式液位物位的测量、湿度传感器、物质的含水量等
2、。关键词：电容式传感器；CV转换；线性转换中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：10021841(2009)07010602CapacitanceVoltage Transmitter IC with Linear Transfer FunctionSHI Linshen91，NRauch2(1Shanghai Yunsheng Mlcroelectronics，Shanghai 201108，China；2Analog Microeleetronics GmbH，Mainz，Germany)Abstract：The new CAV444 is an integrated capa
3、citancetovoltage transmitter(CVtransmitter)This IC is particularly suit-able for all measurements designed to convert a capacitive input signal with a linear transfer function into a differential and aajusta-ble voltage that is proportional to the change in the capacitance to be measuredThe CAV444 c
4、an be used 1t8 input circuit for pro-ce$80r applications or as standalone-1CIt can be used for level sensing，measurement of humidity，material identification and oh-ject detectionKey words：capacitive input signal；GV transducer；linear transferO引言德国AMG公司(Analog Microelectronics GmbH)在原有的电容电压测量转换集成电路CAV
5、414和CAV424的基础上又新推出了一款电容电压测量线性转换集成电路CAV444(见图1)。该款集成电路可以把电容式的信号转换成线性的差分电压输出。输出的差分电压信号的零点和满度可以简单地用2个外接电阻进行调准。这样的信号对后级的信号再处理电路比如AD转换或单片机采集或者直接变送420 mA输出非常合适。它可以广泛应用于电容式液位物位的测量、湿度传感器、物质的含水量等。VrEMP GND RA VCC VBCMRCM田1 CAV444的电路方框图l电容的测量测量振荡器平板电容器的公式为r一丛一型。一dd圆柱体电容器的公式为收稿日期：20090413VREF，1 2weo占，hB_1F Lnr
6、式中：P。为真空介电常数，占o=8 854 x 10。2；岛为材料介电常数；A为平板电容器的平板面积；d为二平板之间距离；R为圆柱腔体外径；r为圆柱体内径；为圆柱体高。作为电容传感器，通常是由其中的某一项物理量发生变化，例如面积，物质的介电常数，物质的液位高度等变化，从而引起电容值的变化，只要测出该电容的值就可以计算出所要测量的相应的物理量的变化情况。通过上面的2个电容器的电容计算公式，可以知道，通过CAV444的测量，可以将物质的介电常数占，平板的面积4，圆柱体内的液位高度h等转换成与之成线性的电压信号。如果在电容传感器内的物质发生改变，也就是介电常数占，发生了变化(水为80，酒精为25，油
7、为2，空气为1)，那么只要测出电容的变化值也就可以推断出在电容传感器内的物质的变化情况，可以区分出不同的物质。水是一种介电常数很大的物质，一方面由于材料的吸湿性，会影响到材料的区分，但由此可以测量物质的含水龟；另一方面，材料的吸湿性可以用来作湿度传感器(电容式高聚物薄膜湿度传感器)。如果是圆柱体电容传感器内的液位高度h发生变化，那么传感器的电容也发生了变化，测量此时的电容值就可以推算出物质的液位高度。如果是物体的大小、形状发生了变化，也就是电容传感器的面积A发生变化，那么测出传感器的电容值就可以识别不同的物体或区别物体的形状。万方数据第7期 施林生等：电容式信号线性转换电压输出的应用电路CAV
8、444 1072 CAV444CAV444的最大特点就是可以直接测量电容传感器的电容变化并将其转换成与之成线性关系的电压信号输出。CAV444工作过程：测量电容(传感器)作为内置的测量振荡器的电容器，通过对它充放电产生振荡周期，该振荡周期与测量电容大小成线性关系。通过频率电压(fU)电路和低通滤波器，最后输出一个直流电压信号。经过一个零点和满度町调的输出级得到所希单的电压信号输出值，如图2所示。输出电压与内置的参考电压KEF(25 V)组成差分电压输出。图2 CAV444的工作原理集成电路CAV444与集成电路CAV424t21和CAV41431的区别在于信号转换时的传递函数是完全不同的。CA
9、V424和CAV414的信号传递函数是与IC成正比，只有当电容的变化量很小时才接近线性。集成电路CAV414和CAV424测量的电容值是传感器电容cM与一个附加的参考电容C。的差值AC=C。一C。如果电容传感器是平板电容器，那么传感器的电容值与介电常数8，极板面积A和距离d有关，只要这些参数变化，电容值c。也变化，测量的电容值C也随之变化，通过电容电压转换电路的信号处理后输出相应的电压值。CAV444测量电容时，不需要参考电容，而是直接测量传感器的电容值。CAV444输出的电压信号也是差分电压信号，该差分电压信号的零点和满度一样可以简单地用2个外接电阻进行调准。CAV444的电容测量转换成电压
10、是通过一个u频率电压转换电路单元的变换，这是它与CAV424和cAv414主要区别。CAV444的测量电容范围较宽，在192 200 pF之间。CAV444的电容电压传递函数如下：=胛+F=GLPs+EF=(1+) (鼍砖学)+。，、8Cw尺cw”式中：C。为电容传感器；AVcM=21 V(内置常数)；VR。，为25 V的内置参考电压；电阻Rc。和月cw与充放电流大小有关，通常取固定数值RcM=250 kQ和Rcw=500 kQ这里要求：Cw=百t-sM,ratlx，Cw是u频率电压转换电路电容，它的取值与c。有一定相关性。RR：是输出级的增益调整电阻。不管是CAV444还是CAV424，它们
11、的输出信号都可以直接送往后级的AD转换电路或单片机采集电路(见图3)，可以进一步进行补偿、寻址、线性化和数字输出。集成电路上的温度传感器可以监测周边的温度并送往单片机，可以做温度补偿和监控。当然CAV444的输出可以直接与变送电路相连输出二线或三线的420 mA圈3 CAV444与单片机连接(数宇化调准和输出)同其他几个电容式转换集成电路一样，CAV444也有一个应用校准软件(KaliCAV444xls41)。利用该软件可以简化电路的调试和校准，例如可以计算出需要校准的零点和满度的2个电阻值等。3结束语利用CAV444的电容电压线性转换的特性，可以在很多需要通过电容的方式(电容式传感器)来实现
12、测量、检测、监控的地方得到应用。参考文献：1CAV444产品说明书WWWsymchinacorn2 CAV424产品说明书wwwsymchinacom3 CAV414产品说明书wwwsymchinaCOrn4 应用校准软件KaliCAV444xlswwwsymchinacorn作者简介：施林生(1960一)。留德物理硕士，从事传感器和信号处理技术支持。Email：zzhiyunguomaishcn第十一届全国敏感元件与传感器学术会议(STC09)由全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会主II办，沈阳仪表科学研究院及传感器国家工程研究中心承办Il的“第十一届全国敏感元件与传感器学术会议(ST
13、C09)”ll将于2009年11月在杭州召开。本次大会的宗旨是“举办高水平的学术活动，创造有特lI色的产品交流，促进传感器业界联合，推动传感器产业发1展”，将围绕敏感元件与传感器行业现状和发展等方面问题l进行深入广泛的学术交流和产品展示。本次会议的主题是“传感器与产业化”。会议期间，除Jl进行会议论文交流外，还将邀请政府领导、著名专家、企业jl家作关于传感器对我国仪器仪表行业的影响，敏感元件和I传感器的国内外现状和应用，传感器产业化等特邀报告，并l组织传感器产品展示。会议录用论文将收录于仪表技术l与传感器杂志增刊，由有关专家组成的评审组评选出优秀l论文，并进行奖励。I 详情请浏览仪表技术与传感
14、器www17sensorCoIll万方数据电容式信号线性转换电压输出的应用电路CAV444作者： 施林生， N.Rauch， SHI Lin-sheng， N.Rauch作者单位： 施林生,SHI Lin-sheng(上海芸生微电子有限公司,上海,201108)，N.Rauch,N.Rauch(Analog Microelectronics GmbH公司,德国MAINZ)刊名： 仪表技术与传感器英文刊名： INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR年，卷(期)： 2009(7)参考文献(4条)1.应用校准软件KaliCAV444.xls2.CAV414产品说明书3.CAV4
15、24产品说明书4.CAV444产品说明书本文读者也读过(10条)1. 施林生.SHI Lin-sheng 电容式传感器和电容的测量期刊论文-传感器世界2010,16(7)2. 丛培田.姜文涛.韩辉.CONG Pei-tian.JIANG wen-tao.HAN Hui 基于CAV424的电容式振动传感器转换电路期刊论文-仪表技术与传感器2009(12)3. 赵进创.王师.杨钢.陆增喜.Zhao Jinchuang.Wang Shi.Yang Gang.Lu Zengxi 电容层析成像用新型电容/电压转换电路的研制期刊论文-仪器仪表学报2001,22(1)4. 王文英.王瑞涛.樊申.WANG W
16、en-ying.WANG Rui-tao.FAN Shen 法兰变送器超薄膜片激光焊接工艺期刊论文-兰州石化职业技术学院学报2007,7(4)5. 李国娜.王保良.黄志尧.李海青.Li Guona.Wang Baoliang.Huang Zhiyao.Li Haiqing 电容层析成像中电容检测方法的分析比较期刊论文-仪器仪表学报2005,26(z2)6. 戴恒震.孙宝元 一种检测绝缘纸板微水分的电容式传感器期刊论文-传感器技术2001,20(10)7. 白利.钟洪声.唐广.杨涛 一种用于微小电容检测的数模混合方法会议论文-20058. Helmut Kremer.Jorg Stecker.施林生 电容信号的数字化校正期刊论文-传感器世界2001,7(6)9. 樊涤心.黄义春.FAN Di-xin.HUANG Yi-chun 关于电容式传感器的误差研究期刊论文-哈尔滨建筑大学学报2000,33(1)10. 刘安.LIU An 树状电路信号完整性符号化分析方法与应用期刊论文-现代电子技术2010,33(1)本文链接：http:/
