Michael Gambuzza
EDN
Схему моста переменного тока можно использовать для измерения неизвестной емкости датчика, такого, например, как датчик относительной влажности (RH). В основе некоторых датчиков RH лежит зависимость емкости от относительной влажности. Обычно изменение емкости в диапазоне RH от 0% до 100% довольно мало. Использование массива конденсаторов NCD2400 с цифровым программированием и высоким разрешением шага может помочь в определении величины неизвестной емкости и RH, если включить эту емкость в стандартную мостовую схему переменного тока.
NCD2400 – это управляемое по интерфейсу I2C устройство в миниатюрном корпусе DFN Данные в микросхему записываются по стандартной двухпроводной шине I2C. Типовая схема измерителя RH показана на Рисунке 1.
 |
||
| Рисунок 1. | Использование массива конденсаторов NCD2400 с цифровым программированием и высоким разрешением шага может помочь в определении величины неизвестной емкости и RH, если включить эту емкость в стандартную мостовую схему переменного тока. |
|
Схема работает как простой мост переменного тока с согласованными сопротивлениями резисторов и источником стабильной фиксированной частоты. Значение емкости конденсатора CBULK конкретного датчика относительной влажности при 0% RH можно зафиксировать. Например, на Рисунке 2 эта емкость равна 270 пФ. Если установить в мост постоянный конденсатор примерно такой емкости, емкость микросхемы NCD2400, выход которой подключен параллельно конденсатору, нужно будет изменять от 12.5 пФ до 60 пФ шагами, которые для NCD2400 составляют по 355 фФ. (В данном примере – 133 дискретных значения). Эта управляемая емкость соответствует диапазону от 282.5 пФ до 330 пФ или, согласно графику на Рисунке 2, от 0% до 100% RH.
 |
||
| Рисунок 2. | Относительной влажности 0% соответствует емкость примерно 270 пФ. |
|
Последовательная запись соответствующих кодов в NCD2400 изменяет емкость от низкого значения до высокого, а дифференциальный усилитель выводит разностное напряжение моста в АЦП. Когда АЦП микроконтроллера обнаруживает минимумы напряжения, значение емкости NCD2400 соответствует емкости датчика RH. В этот момент значение конденсатора можно использовать для определения относительной влажности.
Калибровка
Калибровка системы имеет решающее значение, и для определения градуировочной кривой датчика устройство обычно калибруется в камере влажности. Поскольку зависимость емкости от RH не обязательно является линейной, калибровка, скорее всего, даст квадратичную передаточную функцию вида
где
CP – емкость датчика;
A, B, C – коэффициенты.
Подстановка в передаточную функцию значения емкости, полученного с использованием NCD2400, вместо CP, и обнуление схемы дадут результирующую величину RH. Результат измерения RH, а также значение, измеренное датчиком температуры на Рисунке 1, затем используются для расчета скорректированной величины RH, учитывающей температурную поправку, что позволяет получить наибольшую точность результата.
Измерение RH является сложной задачей, и следует принимать во внимание все неопределенности измерений. К счастью, если калибровка выполняется на системном уровне, многие паразитные емкости и импедансы ветвей компенсируются, и воспроизводимость результатов становится хорошей.
