ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ)
Shown two main areas, which are used to create the transducers to work in conjunction with capacitive sensors. In the first case the measuring circuits are based on equilibration circuits alternating current, in particular bridges or compensatory-bridge circuits and their version – switching balanci...
Saved in:
| Date: | 2015 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/932 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Technical Electrodynamics |
| Download file: |
|
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203042969681920 |
|---|---|
| author | Неболюбов, Е.Ю. Новик, А.И. |
| author_facet | Неболюбов, Е.Ю. Новик, А.И. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Е.Ю. Неболюбов",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
},
{
"author": "А.И. Новик",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
}
] |
| author_sort | Неболюбов, Е.Ю. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-01T15:37:41Z |
| description | Shown two main areas, which are used to create the transducers to work in conjunction with capacitive sensors. In the first case the measuring circuits are based on equilibration circuits alternating current, in particular bridges or compensatory-bridge circuits and their version – switching balancing device, also known as charge-balancing device. In the second case, transducers are based on single-crystal structures completed, converters "Capacitance to Digital Converter » (CDC) uses the architecture and circuitry of the sigma-delta modulation converters, resulting in a compact techproduct in the form of inexpensive mass-produced chips. Described circuit and operational features discussed converters, shown the advantages and disadvantages of both types of devices, as well as the preferred areas application. Shown the examples of transducers. References 22. Figure 3. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:16:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3 67
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ
УДК 621.317.733
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ
ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ)
Е.Ю.Неболюбов, канд.техн.наук, А.И.Новик, докт.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина.
Email: novied@ied.org.ua
Показаны два основных направления, использующихся при построении измерительных преобразователей для
емкостных датчиков (сенсоров) – на базе традиционных уравновешенных мостовых либо компенсационно-
мостовых цепей и на базе однокристальных конвертеров «емкость-цифра» (CDC) с использованием методоло-
гии сигма-дельта модуляции. Описаны особенности рассматриваемых преобразователей, показаны преимуще-
ства и недостатки обоих типов устройств, предпочтительные области применения, даны примеры реализа-
ции. Библ. 22, рис. 3.
Ключевые слова: измерительный мост, компенсационно-мостовое устройство, емкостный датчик, сигма-дельта
АЦП, преобразователь емкость–цифра.
Емкостные датчики (сенсоры) являются весьма удобными преобразователями неэлектриче-
ских величин (перемещение, давление, влажность, уровень и многое другое) в электрические. Они
просты, дешевы, при правильном конструировании и изготовлении весьма точны, устойчивы к воз-
действию помех, могут работать в широком диапазоне температур (до нескольких сотен градусов),
обладают большой функциональной гибкостью. В течение более полувека для преобразования (изме-
рения) емкости используются аналоговые методы и схемы, среди которых на первом месте стоят
схемы уравновешивания на переменном токе. Для промышленного применения часто достаточно
иметь на выходе электронного преобразователя аналоговый сигнал (напряжение, ток, частота), ис-
пользуемый в дальнейшем в устройствах автоматики и управления. При необходимости этот сигнал
может быть преобразован в цифровой код с помощью дополнительного АЦП.
В последние десятилетия с развитием цифровых технологий и тенденцией к микроминиатю-
ризации актуальной стала разработка компактных преобразователей величины емкости непосредст-
венно в цифровой код, причем в однокристальном исполнении. Оказалось, что архитектура одной из
разновидностей разработанных ранее АЦП, так называемых сигма-дельта АЦП ( ΣΔ -АЦП), позволя-
ет при некоторой доработке использовать такие устройства в качестве преобразователей емкость-
цифра с достаточно высоким разрешением и приемлемой точностью. Устройства получили название
CDC (Capacitance-to-Digital Converter – конвертер емкость-цифра) и выпускаются рядом известных
зарубежных фирм в виде относительно недорогих микросхем [1,7,13,14,17].
В настоящей статье сделана попытка краткого описания схемотехники и особенностей двух
упомянутых категорий измерительных преобразователей для работы с емкостными датчиками, их
характерных свойств, достоинств и недостатков для разных сфер применения.
Емкостные датчики перемещения выполняются, как правило, в виде конденсаторов с плоскими
параллельными электродами. Рабочим параметром является либо площадь перекрытия электродов (в
этом случае иногда используют коаксиальную конструкцию), либо воздушный зазор между ними. Оп-
тимальный вариант – использование двухемкостных датчиков в виде дифференциального или полу-
дифференциального конденсатора, когда обе сравниваемые емкости находятся рядом, в одинаковых
условиях внешних воздействий (кроме воздействия измеряемого параметра) [5]. Крайне желательно, а в
некоторых случаях просто необходимо, минимизировать или исключить влияние на результат измере-
ния паразитных емкостей соединительных проводов датчика и емкостей его электродов на землю и ок-
ружающие элементы конструкции (корпус и т.п.). Это условие выполняется, если измерительное уст-
ройство позволяет подключать датчик по трехзажимной потенциально-токовой схеме [5].
© Неболюбов Е.Ю., Новик А.И., 2015
68 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3
При повышенных требованиях к точности и разрешающей способности измерения емкости
датчика лучшей основой для измерительного устройства являются мостовая цепь либо ее дальнейшее
развитие – компенсационно-мостовое измерительное устройство (КМИУ), предназначенные для изме-
рения электрических параметров пассивных элементов цепи. Их работа также основана на взаимной
компенсации двух или более токов (напряжений), создаваемых одним общим генератором измеритель-
ной частоты, до получения нулевого сигнала неравновесия. Но, в отличие от традиционных мостовых
цепей, КМИУ уравновешивают не регулировкой (изменением) каких-либо пассивных параметров (об-
разцовых мер иммитанса), а путем регулировки только напряжений (токов), питающих ветви измери-
тельной цепи [6].
В обобщен-
ном виде схема из-
мерительного уст-
ройства с уравно-
вешенной измери-
тельной цепью
(ИЦ) для работы с
емкостными дат-
чи-ками показана
на рис. 1. В ее со-
ставе: генератор Г
пе-ременного (в
клас-сическом
случае синусои-
дального) напряжения; два рабочих конденсатора Сp1 и Сp2 датчика (либо один рабочий, другой об-
разцовый); система автоматического уравновешивания САУ, поддерживающая на выходе измери-
тельной цепи (в точке d) нулевой сигнал неравновесия, и управляемые линейные элементы масштабного
преобразования в цепи каждого из конденсаторов, которые можно объединить в один функциональный
узел − схему прецизионного масштабирования СПМ. Эта схема включает точный аналоговый инвертор
ИН и два (в общем случае) управляемых делителя напряжения (УДН1 и УДН2), коэффициенты переда-
чи которых регулируются сигналами САУ, причем управляющее воздействие, подаваемое на делители,
является одновременно и выходной величиной устройства. В приведенной схеме в уравновешенном
состоянии точка d имеет теоретически нулевой потенциал, независимо от входного сопротивления
блока САУ, поэтому паразитная емкость Cт не влияет на результат измерения. Паразитные емкости
двух других подключающих проводов – Сп1 и Сп2 также оказывают малое влияние, поскольку нагру-
жают источники напряжения с весьма малым внутренним сопротивлением. В силу сказанного уст-
ройства на основе КМИУ обладают большой дистанционностью, т.е. позволяют выносить емкостной
датчик на значительное расстояние от электронного блока (метры, десятки и даже иногда сотни мет-
ров).
Часто КМИУ выполняют роль измерительных преобразователей «емкость–аналоговая величи-
на» (например, напряжение), при этом главным требованием, помимо высокой точности, выступает
простота устройства, а также иногда еще и высокое быстродействие. В этих случаях перспективными
являются т.н. коммутационные КМИУ, в которых ИЦ питается не синусоидальным, а прямоугольным
напряжением (меандр). Их иногда называют устройствами с уравновешиванием зарядов. К преимуще-
ствам таких структур относится простота стабилизации питающего напряжения и получение уравно-
вешивающего параметра (результата измерения) сразу в виде напряжения постоянного тока.
На рис. 2 показана упрощенная (без СПМ) структура коммутационного КМИУ [5]. Два по-
стоянных напряжения U1 и U2 с выхода источника питания ИП и выхода устройства подаются на
рабочие емкости датчика Сp1 и Сp2 через блок коммутации БК, содержащий два синхронно рабо-
тающих коммутатора К1 и К2. Каждый из коммутаторов содержит два ключа, образующих эквива-
лент контакта «на переброс». При работе первый коммутатор периодически подключает потенциаль-
ный электрод соответствующего рабочего конденсатора поочередно к выходу ИП либо к земле, вто-
рой – к выходу устройства либо также к земле. В результате этого на потенциальных электродах кон-
денсаторов датчика действуют прямоугольные напряжения, размах которых (двойная амплитуда) ра-
вен соответственно напряжениям U1 и U2. Работой блока коммутации управляет коммутационный
генератор КГ, от него же подается опорное напряжение на квадратурный детектор КД. Система САУ
Рис. 1 Рис. 2
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3 69
содержит три функциональных узла – усилитель сигнала неравновесия У, квадратурный детектор КД
и интегратор ИНТ. Выходное напряжение интегратора Uвых поступает в качестве уравновешивающе-
го воздействия U2 на блок коммутации и одновременно является выходной величиной устройства.
Таким образом, КМИУ работает как преобразователь емкости (в общем случае – функции емкостей
Сp1 и Сp2) в отношении двух постоянных напряжений. Если напряжение источника ИП стабильно,
то Uвых однозначно отображает результат измерения, при этом весь преобразователь охвачен глубо-
кой ООС.
Для коммутационных КМИУ схема масштабирования СПМ обычно содержит 1-2 операци-
онных усилителя и несколько прецизионных резисторов. Изменением количества и номиналов этих
резисторов устройство может быть перенастроено на работу практически с любым емкостным датчи-
ком (одно- или двухемкостным; дифференциальным или полудифференциальным; с переменной
площадью электродов или переменным зазором и т.д.). Может быть получена желаемая крутизна ха-
рактеристики устройства; нуль этой характеристики может быть помещен в любую точку диапазона
измеряемого параметра и т.п. [5].
Поскольку в описанной структуре отсутствуют элементы с большой инерционностью (са-
мым медленным из них является интегратор ИНТ), измерительная цепь уравновешивается быстро.
Выбором частоты работы коммутатора и соответствующей постоянной времени интегратора может
быть достигнута скорость уравновешивания, позволяющая отслеживать изменения контролируемой
емкости с частотами до десятков килогерц при динамической погрешности в доли процента [2,3].
На практике иногда приходится сталкиваться с необходимостью измерения параметров емко-
стного датчика, один из электродов которого заземлен (двухзажимное подключение конденсатора). В
этих случаях для обеспечения дистанционных измерений с приемлемой точностью требуется принятие
мер по защите от влияния паразитной емкости соединительного провода. Известный метод подачи за-
щитного потенциала на экран этого провода через прецизионный повторитель напряжения малоэффек-
тивен и работает только при небольшой длине кабеля. Лучший эффект, сравнимый с эффектом полно-
ценного трехзажимного включения, может быть получен при использовании в цепи подключения дат-
чика специального элемента – трансформатора с продольно-экранированной обмоткой ТПЭО [11,12].
Описанные КМИУ с аналоговым выходом нашли широкое применение для решения задач из-
мерения малых перемещений, деформаций, усилий, уровня веществ, биений валов, вибраций и т.д. [10].
Наряду с аналоговыми преобразователями емкости датчиков на основе схем уравновешива-
ния созданы и цифровые измерители повышенной точности и разрешающей способности. Характер-
ным представителем этой группы устройств является прецизионный быстродействующий емкостный
микрометр [8,9], предназначенный для измерения перемещений в десятки миллиметров с высокой раз-
решающей способностью (доли микрометра). Прибор построен на основе трансформаторной мостовой
цепи (с тесной индуктивной связью), уравновешиваемой автоматически посредством изменения числа
витков одного из индуктивных плеч; работает с дифференциальным емкостным датчиком перемеще-
ний с суммарной емкостью секций около 10 пФ, порог чувствительности по емкости 4•10-5 пФ. Диапа-
зон измерений − около 32 мм, разрешающая способность по перемещению – 0,125 мкм. Основная по-
грешность измерения (без учета погрешности изготовления датчика) – не более 0,001%, относительная
разрешающая способность по перемещению – 4•10-6. Время измерения в наихудшем случае (при скач-
кообразном изменении входной величины от одного края диапазона до другого) не более – 0,08-0,1 с.
Прибор не чувствителен к значительным изменениям длины и емкости соединительных кабелей дат-
чика (от нескольких сантиметров до 3−5 м). Это позволяет размещать датчик в неблагоприятных для
работы электроники условиях (в зоне высоких температур, давлений, в частности, в вакуумной камере
и т.п.), благодаря чему устройство имеет широкую область применения.
Перейдем теперь к преобразователям емкость-цифра (CDC) на основе однокристальных уст-
ройств. Как было отмечено в начале статьи, по принципу дей-
ствия они близки к сигма-дельта АЦП. Поясним кратко прин-
цип их работы. На рис. 3 показана упрощенная структура та-
кого преобразователя. Он содержит тактовый генератор ТГ,
два разнополярных прецизионных источника постоянного
напряжения Uin и Uref, два конденсатора С1, С2, ключи Кл1-
Кл4, интегратор Инт со своим конденсатором Синт, тактируе-
мый компаратор напряжений К, схему управления ключами
СУК, а также цифровой фильтр ЦФ и дециматор ДМ для об-
Рис. 3
70 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3
работки непрерывного потока единичных и нулевых бит. За счет поочередного подключения каждого
из конденсаторов к «своему» источнику напряжения Uin или Uref и затем ко входу интегратора Инт
происходит передача порций заряда на конденсатор интегратора Синт. Компаратор К срабатывает каж-
дый раз в момент прихода импульса модулирующей частота fmod, если напряжение на выходе интегра-
тора изменяет знак на противоположный и превышает шаг дискретности, при этом импульсы выход-
ного напряжения компаратора через СУК управляют работой ключей Кл1-Кл4. Если произведение
UinC1<Uref C2, то для поддержания баланса зарядов (алгебраическая сумма близка к нулю) при посто-
янной частоте импульсов коммутации конденсатора С1 импульсы коммутации другого конденсатора
С2 должны поступать с меньшей средней частотой и тем реже, чем сильнее выражено неравенство
UinC1< UrefC2. Поэтому на выходе компаратора К, где, собственно, формируются импульсы коммута-
ции С2, в общем случае получается неравномерная последовательность одинаковых импульсов или,
как ее называют, поток одиночных и нулевых бит, средняя частота fср которых пропорциональна от-
ношению UinC1/Uref C2. Далее этот поток обрабатывается цифровым фильтром, дециматором и, при
необходимости, другими средствами обработки сигналов, в результате чего на выходе устройства по-
является результат в виде цифрового кода. При фиксированных (в частном случае равных) значениях
емкостей С1 и С2 этот результат отражает отношение модулей напряжений Uin/ Uref и при Uref=const
дает информацию об измеряемом напряжении Uin. Если же зафиксировать значения обоих напряже-
ний, то частота fср будет равна отношению емкостей С1/С2. В первом случае устройство работает как
измеритель напряжения (АЦП), во втором (при известном фиксированном значении С2= Сref) – как
измеритель емкости С1, т.е. как CDC.
Тактовый генератор вырабатывает две взаимосвязанные последовательности импульсов: одна
из них с частотой дискретизации fS определяет интервал появления цифровых отсчетов N-разряд-
ного кода на выходе цифрового фильтра, вторая, с частотой fmod тактирует АЦП сигма-дельта моду-
лятора. Цифровой фильтр, включенный после модулятора, выполняет сложные операции усреднения
над потоком 1-битовых выборок с выхода модулятора, удаление больших внешних шумов квантова-
ния, отстройку от сетевых помех. Дециматор осуществляет понижение частоты передачи данных с
частоты fmod на входе фильтра до частоты дискретизации fs на его выходе, гарантирующей отсутствие
потерь данных в полосе сигнала. В конечном счете на выходе цифрового фильтра с частотой fs появ-
ляется N-разрядный цифровой код, соответствующий среднему значению измеряемой величины за
время, равное интервалу дискретизации.
В действительности схема коммутации конденсаторов С1 и С2 сложнее, чем показано на рис. 3,
содержит большее количество ключей, благодаря чему объект измерения С1 может подключаться не
только по двухзажимной схеме (как, например, в AD7747 [12]), но и по трехзажимной потенциально то-
ковой схеме (AD7745/7746 [13]), в которой легче обеспечить защиту от паразитных емкостей и утечек.
Из изложенного следует, что CDC на базе ΣΔ -АЦП являются разновидностью схем уравно-
вешивания зарядов, периодически накапливаемых на сравниваемых конденсаторах. Только сравнение
здесь происходит на выходе интегратора, а приведение к равновесию – изменением количества
(средней частоты) подаваемых импульсов на один из сравниваемых конденсаторов в отличие от
уравновешивания изменением амплитуды импульсов в коммутационных КМИУ.
Отличительным свойством большинства известных СDС на базе ΣΔ -АЦП является то, что
образцовый конденсатор С2=Сref встроен внутри ИМС, что обусловливает несколько особенностей. С
одной стороны, это компактность и отсутствие необходимости решать проблему поиска и установки
образцовой меры емкости. С другой – возникают вопросы по точности измерения, связанные с воз-
можной нестабильностью внутренней меры емкости (хотя встроенный в ИМС датчик температуры
может быть использован для коррекции температурной нестабильности Сref). Кроме того, возможен
только всего один диапазон измерения емкости (обычно единицы или десятки пикофарад), который
не может быть изменен в несколько раз (на несколько порядков) сменой Сref, как в рассмотренных
ранее устройствах. Образцовая емкость, встроенная в микросхему, не может быть выполнена боль-
шой. Правда, в известных CDC [13,14] имеется возможность сдвига диапазона измерения на 10-20 пФ
с помощью внутреннего ЦАП (CAPDAC), а также получения отсчета, пропорционального не абсо-
лютной емкости, а разнице двух емкостей СR–СS, т.е. может быть достигнуто повышение чувстви-
тельности вдвое при работе с дифференциальным емкостным датчиком. В [20] описан способ расши-
рения диапазона измерения микросхемами AD7745/7746 с помощью небольшой дополнительной
схемы из навесных деталей (прецизионный резистивный делитель и повторитель напряжения на ОУ)
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3 71
в несколько раз (по-видимому, не более 10-15). Однако при этом явно возрастает погрешность изме-
рения и теряется изящество исполнения всего устройства в пределах всего одной микросхемы.
Итак, положительными качествами микросхем AD774х являются: потенциальная возможность
получения 24-разрядного выходного кода результата, возможность (в небольших пределах) приведе-
ния емкости датчика к диапазону измерения, кодовая перестройка внутренних параметров (постоян-
ных времени фильтров, коэффициентов усиления), простой двухпроводный интерфейс. И все это раз-
мещено в 16-выводном корпусе. Диапазон измерения от 0 до 8,192 пФ для AD7747 и до 4,096 пФ для
AD7745 и AD7746. Результат измерения для AD7745 пропорционален емкости подключенного кон-
денсатора, а для AD7746 и AD7747 – разности емкостей подключенных конденсаторов. Следует за-
метить, однако, что возможность получения 24-х разрядного выходного кода вовсе не означает, что
достоверность кода результата распространяется на все эти разряды. Факторы, влияющие на досто-
верность и устойчивость отсчета сигма-дельта АЦП – это параметры усилителей интеграторов сигма-
дельта модулятора (шумы, динамические параметры и др.), шумы коммутирующих элементов и т.д.
[16]. Упоминание о неустойчивости отсчетов в младших разрядах выходного кода АЦП есть в [4]
(там употребляется термин «мерцание кода»). Заметим, что речь в работах [4,16] идет о ΣΔ -АЦП, а в
случае CDC появляются дополнительные источники погрешностей преобразования. При использова-
нии, в частности, AD7747 речь может идти о неустойчивости цифрового отсчета на уровне десятых
долей процента от диапазона измерения (единиц фемтофарад). Кроме того, в технических описаниях
микросхем указано, что абсолютная погрешность измерения составляет 4 фФ (4•10-3 пФ) для AD7745,
AD7746 и 10фФ (10•10-3 пФ) − для AD7747, т.е. приведенная погрешность довольно высока – 0,4% и
1% соответственно.
В настоящее время, кроме 24-разрядных микросхем CDC AD774х, известны и другие серийно
выпускаемые ИМС преобразователей емкости, в частности, AD7152, AD7153 (12-разрядные);
AD7142, AD7147 (16-битные) контроллеры для емкостных датчиков касания также на основе ΣΔ -
преобразования. Так, фирмой Silicon Labs выпускается несколько версий малогабаритных микрокон-
троллеров, снабженных 16-битными ΣΔ -преобразователями для емкостных датчиков прикосновения,
очень перспективных для создания емкостных сенсорных устройств и систем.
В более поздних разработках CDC функциональные возможности расширены. Например, в
ИМС MAS6512 [19] при подключении двух контролируемых конденсаторов СR и СS к выводам мик-
росхемы путем соответствующего программирования ИМС может быть получен цифровой код, про-
порциональный как разности СR-СS, так и относительной разности (СR-СS)/СR, что увеличивает функ-
циональные возможности CDC. Вероятно с помощью программирования встроенного процессора
может быть реализована и передаточная функция CDC, наилучшая для работы с дифференциальны-
ми датчиками: отношение разности емкостей к их сумме (СR-СS)/(СR+СS) [5]. Кроме того, в этой ИМС
максимальное значение измеряемой емкости в некоторых режимах достигает 180 пФ.
Несколько слов о сферах применения CDC, чему посвящено достаточно много публикаций
(например, [15,21,22 и др.]). Они широко используются, в частности, при разработке микропроцес-
сорных емкостных сенсорных систем, применяются для целей трехмерной емкостной томографии,
при создании микроэлектромеханической инерциальной сенсорной системы измерения градиента
гравитационного поля Земли на орбите. Фирмы Hyundai и KIA выполнили разработку на основе CDC
датчика дождя для автоматического включения стеклоочистителя автомобиля [18]. Следует отметить,
что, согласно приведенным во всех работах данным, измеряемые емкости датчиков не превышают
единиц–десятков пикофарад.
Подводя итоги проведенного сравнения особенностей устройств на основе КМИУ и CDC,
можно констатировать следующее.
Достоинствами КМИУ являются большая гибкость функциональных схем, возможности:
работы в широком диапазоне емкостей датчиков (от долей пикофарады до сотен и даже тысяч пико-
фарад); дистанционного подключения датчиков при длине соединительных кабелей в десятки и сот-
ни метров практически без увеличения погрешности; прямого измерения величин, пропорциональ-
ных не только емкости, но и ее обратной величине (например, зазору в датчиках с переменным зазо-
ром), высокое быстродействие. Недостатки – некоторая громоздкость, большое количество мон-
тажных работ при изготовлении, необходимость установки АЦП на выходе для получения цифрового
кода.
Достоинствами CDC уже на сегодняшний день можно считать простоту применения, ком-
пактность, возможность благодаря этому располагать преобразователь рядом с датчиком, избегая тем
72 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3
самым соединительных линий (если позволяют климатические условия), прямое получение на выхо-
де многоразрядного цифрового кода результата, дешевизну при массовом производстве. Недостат-
ки CDC – узкий диапазон измерения емкости, ограниченная дистанционность, не слишком большое
быстродействие при желании получить высокое разрешение.
Резюмируя, можно сказать, что каждая из двух рассмотренных разновидностей электронных
преобразователей емкости датчиков имеет свою оптимальную область применения, свою нишу. По
мере совершенствования CDC их ниша будет, несомненно, расширяться. За КМИУ остаются те об-
ласти применения, где требуется, в частности, большая дистанционность при малых погрешностях
измерения, высокое быстродействие, например, при регистрации быстропротекающих процессов
(контроль вибраций, биений валов и т.п.)
1. Абраменков А.Д., Троицкий Ю.В. Методы измерения отклонения электрической емкости датчика от его
номинального значения // Электронный математический и медико-биологический журнал. − 2013. − Т. 12. − Вып.
4. [Электронный ресурс]. – http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/abramenkov/abramenkov.htm
(20.01.2015).
2. Борщев П.И. Динамические измерительные преобразователи информативных параметров емкостных
датчиков / Автореф. дис. …канд. техн. наук. – Киев, 1987.
3. Борщев П.И., Новик А.И. Исследование динамических характеристик измерительных цепей компен-
сационно-мостовых измерительных преобразователей параметров емкостных датчиков / Препринт №386 АН
УССР, Ин-т электродинамики. – Киев, 1984. – 36 с.
4. Голуб В.С. Сигма-дельта модуляторы и АЦП // Технология и конструирование в электронной аппара-
туре. – 2003. − № 3. – С. 35-41.
5. Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными дат-
чиками. − Киев: Наукова думка. – 1987. – 112 с.
6. Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., Грохольский А.Л., Соболевский К.М., Никулин В.И., Добров Е.Е. Бы-
стродействующие электронные компенсационно-мостовые приборы. – М.: Энергия, 1970. – 136 с.
7. Кестлер У. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов. − М.: Техносфера,
2010. − 328 с.
8. Неболюбов Е.Ю., Новик А.И., Борщев П.И., Лежоев Р.С., Майдан А.Е. Емкостный измеритель пере-
мещений // Техн. електродинаміка. − 1998. – № 2.– С. 76-79.
9. Новик А.И. Система уравновешивания прецизионных быстродействующих однопараметровых мостов
переменного тока // Техн. електродинаміка. – 1997. − № 5. – С. 65-69.
10. Новик А.И., Колупаев Ю.П., Нужненко В.В., Стадник А..В. Особенности построения измерительных
цепей для работы с емкостными датчиками // Техн. електродинаміка. − 2005. − № 1. – С. 66-70.
11. Новик А.И. Трансформаторный измерительный мост / А.с. №661366 СССР, МКИG 01 R 17/12,1979.
12. Новик А.И., Борщев П.И. Емкостный измеритель расстояния до заземленной поверхности / А.с.
№1536188 СССР, МКИG 01 В7/00, 1990.
13. Техническое описание микросхем AD7745 / AD7746. [Электронный ресурс]. –
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7745_7746.pdf (05.01.2015).
14. Техническое описание микросхем AD7747. [Электронный ресурс]. –
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7747.pdf (05.01.2015).
15. Avramov-Zamurovic S., Duk Rae Lee. High-stability capacitance sensor system and its evaluation. // IEEE
Trans. Instrum. Meas. − 2009. − Vol. 58. − No 4. − Pp. 955–961.
16. Brigati S., Francesconi F., Malcovati P., Tonietto D., Baschirotto A., Maloberti F. Modeling sigma-delta
modulator non-idealities in SIMULINK // Proceedings of ISCAS '99. − 1999. − Vol. 2. − Pp. 384-387.
17. Brychta M. Measure Capacitive Sensors With A Sigma-Delta Modulator, 2005. [Online]. Available at:
http://electronicdesign.com/analog/measure-capacitive-sensors-sigma-delta-modulator , 2005. (05.01.2015)
18. Capacitive Rain Sensor for Automatic Wiper Control. Final Report ECE 480: Design Team 6. HYUNDAI
& KIA MOTORS. [Online]. Available at:
http://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/spring10/group06/Documents/ECE480_Design_Team6_Final_Report.
pdf 2010. (05.01.2015).
19. Техническое описание микросхемы MAS6512. [Online]. Available at:
http://www.mas-oy.com/uploads/Data%20sheets/DA6512.pdf , 2013. (05.01.2015).
20. Extending the Capacitive Input Range of the AD7745 / AD7746 Capacitance-to-Digital Converter
(CN0129) [Online]. Available at:
http://www.analog.com/static/imported-files/circuit_notes/CN0129.pdf, 2011. (05.01.2015).
21. Ghose Kaustav. MEMS Inertial Sensor to Measure the Gravity Gradient Torque in Orbit. − Thèse № 5231
(2012), à la Faculté Des Sciences et Techniques de l'ingénieur Laboratoire des Microsystèmes pour les Tech-nologies
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3 73
Spatiales Programme Doctoral en Microsystèmes et Microélectronique.-École polytechnique fédérale de Lausanne. −
Pour l'Obtention du Grade de Docteur ÈS Sciences. [Online]. Available at:
http://infoscience.epfl.ch/record/169608/files/EPFL_TH5231.pdf,2012. (05.01.2015).
22. Nurge Mark. Capacitance Measurement with a Sigma Delta Converter for 3D Electrical Capacitance
Tomography. [Online]. Available at:
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120003600.pdf Jan.2005. (05.01.2015).
УДК 621.317.733
ЕЛЕКТРОННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДЛЯ РОБОТИ З ЄМНІСНИМИ ДАВАЧАМИ (АНАЛОГОВІ ТА
ЦИФРОВІ)
Є.Ю.Неболюбов, канд.техн.наук, А.І.Новик, докт.техн.наук
Інститут електродинаміки НАН України
пр. Перемоги, 56, Київ- 57, 03680, Україна.
e-mail: novied@ied.org.ua
Розглянуто два основних напрямки, що використовуються при побудові вимірювальних перетворювачів для
ємнісних давачів (сенсорів) - на базі традиційних зрівноважених мостових або компенсаційно-мостових кіл і на
базі однокристальних конверторів «ємність-цифра» (CDC) з використанням методології сигма-дельта моду-
ляції. Описано особливості перетворювачів, показані переваги і недоліки обох типів пристроїв, переважні об-
ласті застосування, дані приклади реалізації. Бібл. 22, рис. 3.
Ключові слова: вимірювальний міст, компенсаційно-мостовий пристрій, ємнісний датчик, сигма-дельта АЦП,
перетворювач ємність-цифра.
ELECTRONIC CONVERTERS FOR WORK WITH CAPACITIVE SENSOR (analog and digital)
E.Yu.Nebolyubov, A.I.Novik
Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine,
pr.Peremogy, 56, Kiev-57, 03680, Ukraine.
e-mail: novied@ied.org.ua
Shown two main areas, which are used to create the transducers to work in conjunction with capacitive sensors. In the
first case the measuring circuits are based on equilibration circuits alternating current, in particular bridges or com-
pensatory-bridge circuits and their version – switching balancing device, also known as charge-balancing device. In
the second case, transducers are based on single-crystal structures completed, converters "Capacitance to Digital Con-
verter» (CDC) uses the architecture and circuitry of the sigma-delta modulation converters, resulting in a compact tech
product in the form of inexpensive mass-produced chips. Described circuit and operational features discussed convert-
ers, shown the advantages and disadvantages of both types of devices, as well as the preferred areas application.
Shown the examples of transducers. References 22. Figure 3.
Keywords: compensatory-bridge device, a capacitive sensor, measuring bridge, sigma-delta ADC, capacitance-to-digital
converter.
1. Abramenkov A.D., Troitsky Yu.V. Methods for measuring the capacitance of the sensor deviation from its
nominal value // Electronic mathematical and biomedical journal. − 2013. − Vol. 12. − Issue 4. [Online]. Available at:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/abramenkov/abramenkov.htm (accessed 05.01.2015) (Rus.)
2. Borshchev P.I. Dynamic transducers informative parameters aptly-stnyh sensors. - Avtoref. Dis. PhD. tekhn.
Sciences. − Kyiv, 1987. (Rus)
3. Borshchev P.I., Novik A.I. Investigation of dynamic characteristics of the measuring circuits Compensatory
and bridge transducers parameters of capacitive sensors. / Preprint №386, Ukrainian Academy of Sciences, Institute of
Electrodynamics. − Kyiv, 1984. − 36 p. (Rus)
4. Golub V.S. Sigma-delta modulator and ADC // Tekhnologiia i konstruirovanie v elektronnoi apparature. −
2003. − No 3. − Pp. 35-41. (Rus)
5. Grynevych F.B., Novik A.I. Measuring Compensatory and bridge devices with capacitive sensors. − Kyiv:
Naukova Dumka. − 1987. − 112 p. (Rus)
74 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 3
6. Karandeev K.B., Grynevych F.B., Grokholsky A.L. Sobolewski K.M., Nikulin V.I., Dobrov E.E. Speed
electronic compensatory and bridge devices. − Moskva: Energiia. − 1970. − 136 p. (Rus)
7. Koestler W. Design of digital and mixed-signal processing. − Moskva: Tekhnosfera, 2010. − 328 p. (Rus)
8. Nebolyubov E.Yu, Novik A.I., Borschev P.I., Lezhoev R.S., Maidan A.E. Capacitive displacement meter //
Tekhnichna Elektrodynamika. − 1998. − No 2. − Pp. 76-79. (Rus)
9. Novik A.I. System balancing precision high-speed one-parameter bridges AC // Tekhnichna
Elektrodynamika. − 1997. − No 5. − Pp. 65-69. (Rus)
10. Novik AI, Kolupaev Yu.P., Nuzhnenko V.V., Stadnik A.V. Features of construction of meter circuits for use
with capacitive sensors // Tekhnichna Elektrodynamika. − 2005. − No 1. − Pp. 66-70. (Rus)
11. Novik A.I. Transformer measuring bridge / A.s. №661366 USSR MKIG 01 R 17/12, 1979. (Rus)
12. Novik A.I., Borschev P.I. Capacitive measuring the distance to a grounded surface in / A.S. №1536188
USSR MKIG 01 B7 / 00, 1990. (Rus)
13. AD7745 / AD7746 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor (rev.0)
[Online]. Available at:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7745_7746.pdf (accessed 05.01.2015)
14. AD7747 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor Data Sheet (rev. 0)
[Online]. Available at:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7747.pdf (accessed 05.01.2015)
15. Avramov-Zamurovic S., Duk Rae Lee. High-stability capacitance sensor system and its evaluation. // IEEE
Trans. Instrum. Meas. − 2009. − Vol. 58. − No.4. − Pp. 955-961.
16. Brigati S., Francesconi F., Malcovati P., Tonietto D., Baschirotto A., Maloberti F. Modeling sigma-delta
modulator non-idealities in SIMULINK / Proceedings of ISCAS '99. − 1999. − Vol. 2. − Pp. 384-387.
17. Brychta M. Measure Capacitive Sensors With A Sigma-Delta Modulator, 2005. [Online]. Available at:
http://www.electronicdesign.com/analog/measure-capacitive-sensors-sigma-delta-modulator (accessed 05.01.2015)
18. Capacitive Rain Sensor for Automatic Wiper Control. Final Report ECE 480: Design Team 6. HYUNDAI &
KIA MOTORS. [Online]. Available at:
http://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/spring10/group06/Documents/ECE480_Design_Team6_Final_Report
.pdf 2010. (accessed 05.01.2015)
19. MAS6512 Capacitive Sensor Signal Interface IC [Online]. Available at:
http://www.mas-oy.com/uploads/Data%20sheets/DA6512.pdf , 2013. (accessed 05.01.2015)
20. Extending the Capacitive Input Range of the AD7745 / AD7746 Capacitance-to-Digital Converter
(CN0129) [Online]. Available at:
http://www.analog.com/static/imported-files/circuit_notes/CN0129.pdf, 2011. (accessed 05.01.2015)
21. Ghose Kaustav. MEMS Inertial Sensor to Measure the Gravity Gradient Torque in Orbit. − Thèse № 5231
(2012), à la Faculté Des Sciences et Techniques de l'ingénieur Laboratoire des Microsystèmes pour les Tech-nologies
Spatiales Programme Doctoral en Microsystèmes et Microélectronique.-École polytechnique fédérale de Lausanne. −
Pour l'Obtention du Grade de Docteur ÈS Sciences. [Online]. Available at:
http://infoscience.epfl.ch/record/169608/files/EPFL_TH5231.pdf,2012. (accessed 05.01.2015)
22. Nurge Mark. Capacitance Measurement with a Sigma Delta Converter for 3D Electrical Capacitance
Tomography. [Online]. Available at: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120003600.pdf Jan.2005.
(accessed 05.01.2015)
Надійшла 11.09.2014
Остаточний варіант 06.01.2015
|
| id | techned_org_ua-article-932 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:16:00Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/93/dc3646b466df76375647c2f7fd701b93.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-9322023-01-01T15:37:41Z ELECTRONIC CONVERTERS FOR WORK WITH CAPACITIVE SENSOR (analog and digital) ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) Неболюбов, Е.Ю. Новик, А.И. compensatory-bridge device a capacitive sensor measuring bridge sigma-delta ADC capacitance-to-digital converter измерительный мост компенсационно-мостовое устройство емкостный датчик сигма-дельта АЦП преобразователь емкость–цифра Shown two main areas, which are used to create the transducers to work in conjunction with capacitive sensors. In the first case the measuring circuits are based on equilibration circuits alternating current, in particular bridges or compensatory-bridge circuits and their version – switching balancing device, also known as charge-balancing device. In the second case, transducers are based on single-crystal structures completed, converters "Capacitance to Digital Converter » (CDC) uses the architecture and circuitry of the sigma-delta modulation converters, resulting in a compact techproduct in the form of inexpensive mass-produced chips. Described circuit and operational features discussed converters, shown the advantages and disadvantages of both types of devices, as well as the preferred areas application. Shown the examples of transducers. References 22. Figure 3. Показаны два основных направления, использующихся при построении измерительных преобразователей для емкостных датчиков (сенсоров) – на базе традиционных уравновешенных мостовых либо компенсационно-мостовых цепей и на базе однокристальных конвертеров «емкость-цифра» (CDC) с использованием методологии сигма-дельта модуляции. Описаны особенности рассматриваемых преобразователей, показаны преимущества и недостатки обоих типов устройств, предпочтительные области применения, даны примеры реализации. Библ. 22, рис. 3. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2015-04-28 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/932 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 3 (2015): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 067 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 3 (2015): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 067 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/932/809 Авторське право (c) 2022 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | измерительный мост компенсационно-мостовое устройство емкостный датчик сигма-дельта АЦП преобразователь емкость–цифра Неболюбов, Е.Ю. Новик, А.И. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title | ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title_alt | ELECTRONIC CONVERTERS FOR WORK WITH CAPACITIVE SENSOR (analog and digital) |
| title_full | ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title_fullStr | ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title_full_unstemmed | ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title_short | ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ С ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ (АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ) |
| title_sort | электронные преобразователи для работы с емкостными датчиками (аналоговые и цифровые) |
| topic | измерительный мост компенсационно-мостовое устройство емкостный датчик сигма-дельта АЦП преобразователь емкость–цифра |
| topic_facet | compensatory-bridge device a capacitive sensor measuring bridge sigma-delta ADC capacitance-to-digital converter измерительный мост компенсационно-мостовое устройство емкостный датчик сигма-дельта АЦП преобразователь емкость–цифра |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/932 |
| work_keys_str_mv | AT nebolûboveû electronicconvertersforworkwithcapacitivesensoranaloganddigital AT novikai electronicconvertersforworkwithcapacitivesensoranaloganddigital AT nebolûboveû élektronnyepreobrazovatelidlârabotysemkostnymidatčikamianalogovyeicifrovye AT novikai élektronnyepreobrazovatelidlârabotysemkostnymidatčikamianalogovyeicifrovye |