一種新型測量方法催熱電容傳感器的應(yīng)用
過去,由于被認(rèn)為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴(yán)格等特點,電容傳感器很少用于汽車電子之中。 但另一方面,它們也具有生產(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡單、功耗低等特性,從而推動了它們的應(yīng)用。如今,一種新型測量技術(shù)的出現(xiàn),使得汽車中電容傳感器的應(yīng)用數(shù)量大幅增長。
宏觀上講,電容傳感器通常是通過將電容轉(zhuǎn)換成電壓、時間或者頻率等另一種物理變量來進(jìn)行分析。而在微觀上,電容傳感器已經(jīng)長期用于汽車之中;微機(jī)械加速度傳感器就是基于這個原理設(shè)計的。這些經(jīng)常用來檢測電荷轉(zhuǎn)移。
一種用于探測電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 這種方法使用了電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),在本文中要與幾個可以用于汽車的電容傳感器原理一起闡述說明。文末也會概要說明另一種可選方法。
電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器
要形象描述CDC,我們必須對Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器原理作一番介紹。
圖1是Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的簡圖。
為了清楚地了解其工作過程,首先我們看積分器的輸入,經(jīng)過長時間間隔后,該值必須保持為零。短時間微小的階躍信號會轉(zhuǎn)變成斜坡信號。通過將基準(zhǔn)支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來達(dá)到零平均值,反過來這還受到比較器輸出的影響。這將參考點轉(zhuǎn)變成具有邏輯1的并聯(lián)電容。
電容充電然后反過來提供給積分器,這樣積分器得到一個負(fù)的參考電壓。因此輸入端的高壓導(dǎo)致大量邏輯部分,它們反過來頻繁地運(yùn)用(負(fù))參考電壓。密度通過下面的數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字化的數(shù)值。經(jīng)典的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器將未知的電壓與已知的電壓相比較,即采用兩個已知的電容(通常相等)來作此比較。
事實上是對電荷進(jìn)行比較,因此電容可以用公式Q=C*V來比較,如果兩個電壓都已知(在此取相同的電壓值)。同步電壓信號也必須提供給輸入支路,。
這種方法帶來了很多好處。由于與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的關(guān)系密切,其眾所周知的特性可以改進(jìn)并采納,這些特性包括高噪聲抑制、低頻時的高分辨率,以及能經(jīng)濟(jì)有效地實現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器,幾乎沒有例外,具有一個相似的輸入結(jié)構(gòu),因此不同的特別結(jié)構(gòu)可以適用于特殊的測量任務(wù),例如極低的電流輸入、最大準(zhǔn)確性或者更高的截止頻率。
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