Данная конструкция, основанная на RS-триггере и двух RC-цепях, в отличие от многих альтернативных решений, не является ни сложной, ни дорогой.

Одиночные и дифференциальные емкостные датчики широко используются для измерения линейных и угловых перемещений, давления, приближения, влажности, уровня жидкостей, наклона и ускорения. Для сопряжения с этими датчиками используются как аналоговые, так и цифровые схемы [1–4]. Некоторые из таких решений отличаются сложностью и высокой стоимостью [5–9].

В данной статье представлена очень простая схема подключения дифференциальных емкостных датчиков (Рисунок 1). Это релаксационный генератор, состоящий из RS-триггера и двух RC-цепей. Когда один из конденсаторов постепенно заряжается через соответствующий резистор, другой конденсатор быстро разряжается через параллельный ключ. После тог, как напряжение заряжающегося конденсатора достигает порогового уровня V_T своего затвора, состояние триггера меняется. Другой конденсатор начинает заряжаться, а первый – быстро разряжается. Когда напряжение второго заряжающегося конденсатора достигает порогового уровня V_T своего затвора, триггер снова переключается, возвращаясь в исходное состояние. Процесс заряда и разряда повторяется снова и снова.

Рисунок 1.	Датчик становится частью релаксационного генератора, в котором один из конденсаторов заряжается, когда другой закорочен, и наоборот.

Сигнал V_Q1 поступает на микроконтроллер, который измеряет временные интервалы t₁ и t₂ и вычисляет среднее значение:

Из этого значения необходимо вычесть некоторое число, чтобы при равенстве емкостей двух конденсаторов среднее значение A_AVR было равно нулю. Таким образом, среднее значение будет положительным, когда C1 > C2, и отрицательным, когда C1 < C2.

Работа схемы была проверена с использованием банка из десяти конденсаторов емкостью 50 пФ. В левой части Рисунка 2 показаны подключения для установки коэффициента заполнения 20%, в правой части – для 90%.

Рисунок 2.	Работа датчика моделируется с помощью банка из 10 конденсаторов.

На Рисунке 3 показана зависимость периода T и коэффициента заполнения D = t₁/T от емкости C1. Период практически не меняется в пределах от 96 до 98 мкс, в то время как коэффициент заполнения пропорционален емкости C1.

Рисунок 3.	Характеристики схемы: в верхней части период практически не меняется, ниже коэффициент заполнения линейно зависит от емкости C1.

Прямая линия идеально соответствует данным коэффициента заполнения (коэффициент R² равен 1); однако, как показано на Рисунке 4, линия имеет погрешность нелинейности ±0.3%.

Рисунок 4.	Нелинейность зависимости коэффициента заполнения составляет ±0.3 %.

Выпуклая форма графика ошибок означает, что полином второго порядка может улучшить линейность. Действительно, функция

y = 1 × 10^-5 × x² + 0.182 × x + 4.21

уменьшает погрешность до ±0.1%. Такую функцию легко реализовать в прошивке микроконтроллера.

---

1. Datasheet Texas Instruments CD4001B
2. Datasheet Texas Instruments CD4066B