В следующей схеме, лишь немногим более сложной, также используется отношение емкостей датчика и эталонного конденсатора для измерения микрометров... на этот раз линейного.
Несколько недель назад в рубрике «Конструкторские идеи» была опубликована моя простая схема аналогового интерфейса для емкостных датчиков положения [1]. На Рисунке 1 показана эта исходная схема, дополненная раздельными комплементарными выходами OUT и –OUT.
 | |
| Рисунок 1. | Перекрестно соединенные триггеры Шмитта U1a и U2a образуют RC-мультивибратор с частотой порядка 1 МГц. Длительность импульса TSENSE обратно пропорциональна смещению датчика. |
На Рисунке 2 показан примитивный метод получения сигнала о положении датчика: пассивное усреднение импульсной последовательности TSENSE с помощью RC-цепи.
 | |
| Рисунок 2. | Пассивное усреднение RC-цепочкой выходной последовательности импульсов TSENSE формирует аналоговый сигнал, соответствующий положению. |
Получаемый на выходе аналоговый сигнал, как видно из Рисунка 3, отличается хорошим диапазоном и разрешением, но является нелинейным.
 | |
| Рисунок 3. | На этом графике показаны характеристики датчика при подключении выхода OUT к 12-разрядному АЦП с опорным напряжением +5 В. Черная кривая (левая ось) соответствует расстоянию между пластинами (d) в миллиметрах. Красная кривая (правая ось) соответствует разрешению младшего бита АЦП в микрометрах. |
И тогда я задумался о линеаризации и преимуществах, которые она могла бы дать, а также о том, насколько это будет сложно. Оказалось, что не так уж и сложно.
На Рисунке 4 показан получившийся интерфейс с добавленной схемой линеаризации. Достаточно было всего лишь одного операционного усилителя, трех резисторов и двух некритичных конденсаторов. Вот как это работает.
 | |
| Рисунок 4. | Усредняющий интегратор A1 линеаризует отклик датчика перемещения. Резистор R5 показан как прецизионный, хотя это сделано лишь по привычке. Его сопротивление, как и сопротивления открытых коммутаторов U2, фактически компенсируется. |
В каждом цикле измерения емкости импульс TREF длительностью 500 нс заставляет переключатель U2d передавать на суммирующий узел интегратора A1 квант заряда
В то же время импульс TSENSE, пропорциональный емкости датчика, вычитает заряд
A1 принудительно поддерживает баланс зарядов QSENSE = QREF, поэтому
и
Обратите внимание, что R5 волшебным (?) образом исчезает из математического выражения.
На Рисунке 5 показан результат, прямой, как стрела, летящая в невесомости.
 | |
| Рисунок 5. | На этом графике, отражающем результаты работы усовершенствованной схемы, черная кривая соответствует показаниям датчика d в миллиметрах, а красная – постоянному разрешению 1 мВ на микрон. |