适用于微型仪器的精密电容传感器接口

在某些电容传感器的应用中，仪器的前端必须足够小才能装入狭窄的空间里。图1是一个这种用途的精密电容传感器接口。一个低电压555定时器IC1的方波输出不断触发精密单稳IC2，产生用于时间周期T1和T2的半稳定输出，两个时间周期与外接时序电容成正比：T1=KR0(CS+C0)和T2=KR0CS，其中K是乘数。当电容大于100pF时，K近似与外接时序电容无关（参考文献1）。因此，一只150pF电容C0与电容传感器CS并联，提供一个偏置，使单稳的工作保持在一个线性范围内，即使CS的值小于100pF。
　　为达到好的测量精度，用一个固定值150pF电容连接一个参考通道。这种方法可同时消除杂散电容和转换时间的影响。这个接口电路采用单3.3V供电。电路紧凑的设计实现了灵活性，你可以很容易将其集成到一个靠近测量点的微型测量头内。IC3将输出转换为LVDS（低压差分信令）电平，然后用一根标准的5e类电缆将这些输出传送给可能距离较远的终端。只要电缆短于10m，传输带宽就足以保证测量精度在可接受的数皮法至数百皮法之间（参考文献2）。在图2中，IC4的终端将从接口收到的信号转换为LVTTL（低压晶体管-晶体管逻辑）电平，然后将其送至一组无源滤波器。每个DC输出均与信号的占空比成正比：
和
　　其中VH是IC4的高电平输出电压，而TP是IC1的振荡周期。通过将两个输出数字化，你可以获得一个与传感器电容成正比的读数VO1–VO2。要确保T1<TP，即CS<TP/(K×R0)–C0；否则，最终的输出就不正确。考虑宽的测量范围，TP要保持为目标应用允许的值。