专利名称：电容微变式压力传感器变送器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压力传感器变送器。
电容式传感器中的微变电容，其变化量ΔC与所受的压力变化量成正比。在常压下，微变电容的初始值约为20PF，在20KPa压力下，ΔC约为2PF。对如此小的ΔC值，一般电路很难进行线性好、精度高、温漂低的电容-频率(C-F)变换。例如典型的555单稳或多谐振荡电路的设计建议中，一般都要求定时电容的容量应大于100PF，否则器件的漏电流、失调电压及其它不确定温漂等原因，将对变换电路产生较大的误差。
鉴于上述，本实用新型将提供一种高精度、低温漂的电容微变式压力传感器变送器，以供数字式二次仪表进行相关的信号处理。
本实用新型采用的技术方案是一种电容微变式压力传感器变送器，由稳定电压源、电容-频率变换电路、隔离缓冲电路构成，电容-频率变换电路的输出接隔离缓冲电路的输入，其特征在于所述稳定电压源由基准电压源、运放和晶体管构成，所述基准电压源和所述晶体管的输出分别接所述运放的两个输入端，所述运放的输出接所述晶体管的输入；所述电容-频率变换电路由微变电容、比较器、跟随器构成，所述微变电容的正极接跟随器的输入，跟随器的输出接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端与其输出端之间连接电阻网络，比较器的输出与所述微变电容的正极之间串接充放电电阻网络；所述隔离缓冲电路由缓冲器、积分电路、驱动器构成，所述比较器的输出和所述基准电压源分别接所述缓冲器的两个输入端，所述缓冲器的输出经所述积分电路接所述驱动器的输入。
在上述技术方案的实施措施中所述驱动器的输出端与地之间连接阻容串联网络。
所述充放电电阻网络由二极管与一电阻并联后再与一电阻串联构成。
所述晶体管的输出经一分压支路接所述运放的一个输入端。
以下结合附图和实施例进行详细描述。
图1是本实用新型的电路原理图。
本实用新型是由稳定电压源、电容-频率变换电路、隔离缓冲电路组成的变送电路，其功能是将与压力变化量成正比的电容传感器中的微变电容量，以高精度、低温漂方式转换成按线性变化的频率增量，以供数字式二次仪表进行相关的信号处理。
请参阅附图。高精度、高稳定电压源VCC由能隙式基准电压源LM236-5.0、运放U1:B(1/2LM258)、NPN三极管T1、相关电阻RS和R1～R3、滤波电容C2和C3组成，以提高C-F变换电路输出频率的精度及稳定性。基准电压源和晶体管T1的输出分别接运放U1:B的两个输入端，运放U1:B的输出接晶体管T1的基极输入。为调整VCC的值，使晶体管T1的输出经R2、R3分压支路接运放U1:B的输入端6，即把T1接在U1:B负反馈环内，由图可知，VCC=5.0(1+R2/R3)。电阻RS则起对T1的保护作用当外电源VIN接通瞬间，由于滤波电容C3瞬间短路，若RS=0，则VIN全部加在T1的C-E结之间，若此时U1:B的输出7脚为高，则T1瞬间导通，对T1产生的冲击可能会使T1的C-E结功耗过大而使T1损坏。
电容-频率变换电路由比较器U2:B(1/2LM293)、跟随器U3(IM210)、微变电容CX、相关电阻R4～R7、RD、RC、RP构成。微变电容CX的正极接跟随器U3的输入，跟随器U3的输出经电阻RP接比较器U2:B的输入端6，比较器U2:B的另一个输入端5与其输出端7之间连接由电阻R4～R7构成的电阻网络，比较器U2:B的输出与微变电容CX的正极之间串接充放电电阻网络，该充放电电阻网络由二极管D1与一电阻RD并联后再与一电阻RC串联构成。
隔离缓冲电路由缓冲器U2:A(1/2LM293比较器)、积分电路、驱动器U1:A(1/2LM258运放)构成，积分电路由R9、C5构成。比较器U2:B的输出和LM236-5.0基准电压源分别接缓冲器U2:A的两个输入端，缓冲器U2:A的输出经积分电路接驱动器U1:A的输入脚3。
CX是电容式传感器中的微变电容，其变化量ΔC与所受的压力变化量成正比。其特点是1.CX的一端必须接地。2.ΔC的值很小在常压下，CX的初始值约为20PF，在20KPa压力下，ΔC约为2PF。
本电路的工作原理如下LM236-5.0基准电压源为运放U1:B的正向输入端5脚提供一个高精度、高稳定的5伏参考电压。由于运放U1:B接成同相比例放大电路，故其输出端7脚的电位是5.0(1+R2/R3)伏。由于运放的带负载能力较弱(通常输出电流为5～10mA)，故用晶体管T1以射随形式接入电路进行隔离，使稳定电源系统带负载能力大为提高。又由于将T1接在U1:B负反馈环内，故可消除T1的Vbe结电压造成对Vcc的误差影响。该高精度、高稳定电压源提供5.0(1+R2/R3)的VCC供电路使用。
在电容-频率变换电路中，当U2:B的输出为低电平时(V7=0)，其5脚电平为V5(-)=VCCR5//R7R6+R5//R7=VCC·α]]>当V7为高电平时(V7≈VCC)，则有V5(+)=V5(-)+VCCR6//R7(R4+R5)+R6//R7=V5(-)+VCC·β]]>在V7≈VCC期间，VCC通过R4、RD1//RD、RC向CX充电(RD1为二极管D1的反向偏置时的电阻)。CX上的充电电压VCX经跟随器U3送到比较器U2:B的第6脚，当V6=VCX≥V5(+)时，V7翻转为低电平，即V7=0,CX通过RC、RD2//RD向UC:B的第7脚放电(RD2为二极管D1的正向偏置时的电阻)。当V6=VCX≤V5(-)时，V7重新翻转为高电平，于是V7波形为周期性方波信号。V7方波信号的周期值为T=TH+TL=CX·[(R5+RD1//RD+RC)ln(1-α1-β)+(RC+RD2//RD)ln(βα)]]]>T与CX严格成正比。由于α、β值仅与电阻值有关，故输出的C-F信号V7为高精度、高稳定变换信号。高精度、高稳定电源VCC保证CX从充、放电的临近结束的阶段，对T值不会产生附加误差，及提高电路的工作稳定性。
通过对R4～R7的数值选择，可使回差电压值ΔV=V5(+)-V5(-)调高，例如使ΔV＞VCC/3，以利于克服比较器U2:B的失调电压和VIO温漂误差(VIO的典型值为±1.0mV(25℃)～±9.0mV(70℃))。
二极管D1起温度补偿作用由于在V7≈VCC高电平期间，U2:B输出泄放电流IOL典型温漂值为0.1nA(25℃)～1μA(70℃)，温度上升，会使CX的充电电流减小，使T值变大。另外，由于在V7=0低电平期间，输出饱和电压VOL典型温漂值为ΔVOL=+2.5mV/℃，即温度上升，会对CX放电电流减小，使T值变大。由于二极管D1典型的温度系数为-2.5mV/℃，且温升时等效RD2值减小。故在温升时，在CX放电期间，D1的补偿作用是使放电电流增大，T减小，以补偿IOL、VOL温漂影响。与D1并联的电阻RD对补偿作用的强弱进行调整。RD值越大，D1的补偿作用越明显。
跟随器U3的输入电阻为106MΩ，输入电容仅为1.5P，且温漂系数极小，可对CX到比较器U2:B第6脚的信号连接起良好的隔离缓冲作用。电阻RP=R5//R6//R7起减小U2:B失调电流影响的作用。
在隔离缓冲电路中，电容-频率变换电路中的比较器U2:B的输出信号V7送到比较器U2:A的第3脚，U2:A起到对V7信号隔离、缓冲的作用。U2:A的第1脚方波输出信号V1经由R9、C5组成的积分电路，变成抗波形失真、抗干扰的指数形锯齿波，再送到连接成跟随器的驱动器U1:A的输入3脚，最后U1:A的第1脚输出C-F变换信号FOUT。
由于驱动器U1:A连接成跟随器的方式最容易产生自激振荡，故在其输出端1脚与地之间连接由R10、R11、C8组成的阻容串联网络，来补偿电路产生的新极点fp和零点fzfp≈12π·R10·C8,fz≈12π·R11·C8,]]>以克服可能产生的自激振荡。
图中虚线框中电路单元U4:B和U5为二次仪表中的前级单元电路。U4:B(1/2LM293)为对FOUT信号整形的施密特电路，其输出方波脉冲送至计数器U5(CD4020)的时钟端第10脚CLK，经U5分频后送入单片机(例如89C2051)的外计数端INT0。单片机中定时器T0的GATE位被置为″1″，且TR0位被置为″1″后，定时器以计数方式测量INT0的脉冲宽度(高电平)。采用U5进行分频有两个作用单片机对分频后的展宽信号可进行高精度计数测量；同时，对CLK端整形信号分频处理实际上是采用了平均化计算，这有利于减小变换中产生的随机误差。
电路中全部电阻均采用高精度金属膜电阻。电路制作在电路板上，电路板外可罩一壳体，壳体上引出输入电压VIN、微变电容的正负极、频率输出FOUT等接线端子。
本实用新型可对电容式传感器中微变电容的微小变化量ΔC进行线性好、精度高、温漂低的电容-频率(C-F)变换。
权利要求1．一种电容微变式压力传感器变送器，由稳定电压源、电容-频率变换电路、隔离缓冲电路构成，电容-频率变换电路的输出接隔离缓冲电路的输入，其特征在于所述稳定电压源由基准电压源、运放和晶体管构成，所述基准电压源和所述晶体管的输出分别接所述运放的两个输入端，所述运放的输出接所述晶体管的输入；所述电容-频率变换电路由微变电容、比较器、跟随器构成，所述微变电容的正极接跟随器的输入，跟随器的输出接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端与其输出端之间连接电阻网络，比较器的输出与所述微变电容的正极之间串接充放电电阻网络；所述隔离缓冲电路由缓冲器、积分电路、驱动器构成，所述比较器的输出和所述基准电压源分别接所述缓冲器的两个输入端，所述缓冲器的输出经所述积分电路接所述驱动器的输入。
2．如权利要求1所述的电容微变式压力传感器变送器，其特征在于所述驱动器的输出端与地之间连接阻容串联网络。
3．如权利要求1所述的电容微变式压力传感器变送器，其特征在于所述充放电电阻网络由二极管与一电阻并联后再与一电阻串联构成。
4．如权利要求1所述的电容微变式压力传感器变送器，其特征在于所述晶体管的输出经一分压支路接运放的一个输入端。
专利摘要本变送器由稳定电压源、C－F变换电路、隔离缓冲电路构成。稳定电压源由基准电压源、运放和晶体管构成,基准电压源和晶体管的输出分别接运放的两个输入端,运放的输出接晶体管的输入;C－F变换电路由微变电容、比较器、跟随器构成,微变电容经跟随器接比较器的输入端;隔离缓冲电路由缓冲器、积分电路、驱动器构成,比较器的输出和基准电压源分别接缓冲器的两个输入端,缓冲器的输出经积分电路接驱动器的输入。它可对电容式传感器中微变电容的微小变化量ΔC进行线性好、精度高、温漂低的电容－频率变换。
文档编号G01L1/14GK2320996SQ9721838
公开日1999年5月26日 申请日期1997年6月26日 优先权日1997年6月26日
发明者陈文远, 谷良 申请人:陈文远, 谷良