CN101275980B - 差动电容pwm变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差动电容PWM变换器，属自动控制与测量技术领域。差动电容PWM变换器由差动电容与PWM信号生成单元组成，差动电容的公共端通常接地，差动电容的信号端与PWM信号生成单元的信号输入端相连接，PWM信号生成单元的信号输出端接为差动电容PWM变换器的PWM信号输出端。PWM信号生成单元由换向环节、滞环比较器、电压跟随器及换算电阻组成，换向环节的左信号端接为PWM信号生成单元的信号输入端，换向环节的右信号端与电压跟随器的信号端连接，换算电阻跨接在滞环比较器的信号输入端与信号输出端之间，同时滞环比较器的信号输入端接电压跟随器的信号端，滞环比较器的信号输出端接为PWM信号生成单元的信号输出端。差动电容PWM变换器结构简单可靠，有着很大的实用价值。

Description

差动电容PWM变换器

技术领域

本发明涉及一种差动电容PWM(脉宽调制)变换器(简称PWM变换器)，属自动控制与测量技术领域。

背景技术

在工业现场的压强、流量等测控系统中常用到差动电容压力传感器，其结构等效为二个半桥接法的差动电容，在受到压强或压差作用时差动电容的容值会发生改变，压差大小与电容值关系如下：

$\mathrm{\ΔP}=K_P\frac{C_2-C_1}{C_2+C_1}$

其中Kp近似为常数，即压差与二电容容值的差和比成正比。

差动电容容值差和比的测量主要有三种方法，其一：通过交流信号测出电容上的电压，再经过容抗换算得到；其二：分别串接电阻，并通过交流信号测出二个电容上电压的相位差，再进行换算得到；其三：差动电容组成谐振电路，并测出振荡信号的频率或周期，再经过运算得到。这些方法实现较为复杂，稳定性、可靠性不甚理想，不易集成化，同时成本相对较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种差动电容PWM变换器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种差动电容PWM变换器，采用双电源供电，即双电源型差动电容PWM变换器，有二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个PWM信号输出端；其特征在于：双电源型差动电容PWM变换器由差动电容与双电源型PWM信号生成单元组成，差动电容有一个公共端qc10、二个信号端qs11和qs12，双电源型PWM信号生成单元有二个信号输入端ps21与ps22、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个信号输出端ps23；差动电容的公共端qc10接地，差动电容的信号端qs11和qs12分别与PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22相连接，PWM信号生成单元的信号输出端ps23接为差动电容PWM变换器的PWM信号输出端。

所述的双电源型PWM信号生成单元由换向环节、双电源滞环比较器、电压跟随器及换算电阻R20组成，换向环节左右各有二个信号端hlc211和hlc212与hrc213和hrc214，双电源滞环比较器有一个接地端GND、一个信号输入端bs221和一个信号输出端bs222，电压跟随器有二个信号端gs231和gs232；换向环节的左信号端hlc211和hlc212分别接为PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22，换向环节的右信号端hrc213和hrc214分别与电压跟随器的信号端gs231与gs232相连接，电阻R20跨接在滞环比较器的信号输入端bs221与信号输出端bs222之间，同时滞环比较器的信号输入端bs221接电压跟随器的信号端gs231，滞环比较器的信号输出端bs222接为PWM信号生成单元的信号输出端ps23。双电源型差动电容PWM变换器结构框图如图1所示。

所述的差动电容由二个电容即下桥臂电容C11和上桥臂电容C12组成，二个电容的公共端为qc10，二个信号端为qs11和qs12，电容C11或C12可以采用二个或多个电容串联或并联形成。差动电容的结构原理图如图3所示。

所述的换向环节的第一种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成一种头尾相连的环形结构，D211和D214由左信号端hlc211和hlc212分别接到右信号端hrc213和hrc214，而D212和D213则由右信号端hrc213和hrc214分别交叉连接到左信号端hlc212和hlc211。换向环节的第一种电路原理图如图4所示。

所述的换向环节的第二种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成另一种头尾相连的环形结构，D211和D214由右信号端hrc213和hrc214分别接到左信号端hlc211和hlc212，而D212和D213则由左信号端hlc211和hlc212分别交叉连接到右信号端hrc214和hrc213。换向环节的第二种电路原理图如图5所示。

所述的电压跟随器由一个运算放大器A23和一个电阻R230组成，电阻R230跨接在运放A23的输出端与负输入端之间，运放A23的正输入端接为电压跟随器的信号端gs231，运放A23的负输入端接为电压跟随器的信号端gs232。电压跟随器的原理图如图6所示。

所述的双电源滞环比较器由电压比较器B22与电阻R220、R221组成，比较器B22的负输入端接为滞环比较器的信号输入端bs221，电阻R220跨接在比较器B22的输出端与正输入端之间，比较器B22的正输入端通过电阻R221接地，比较器B22的输出端接为滞环比较器的信号输出端bs222。双电源滞环比较器的结构原理图如图7所示。

双电源型PWM信号生成单元集成在一个单片上作为一个单片PWM信号生成单元器件使用，双电源型单片PWM信号生成单元共有六个引脚：二个信号输入端、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个PWM信号输出端。

一种差动电容PWM变换器，采用单电源供电，即单电源型差动电容PWM变换器，有二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个PWM信号输出端；其特征在于：单电源型差动电容PWM变换器由差动电容与单电源型PWM信号生成单元组成，差动电容有一个公共端qc10、二个信号端qs11和qs12，单电源型PWM信号生成单元有二个信号输入端ps21与ps22、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个信号输出端ps23；差动电容的公共端qc10接负电源端-Pv或正电源端+Pv，差动电容的信号端qs11和qs12分别与PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22相连接，PWM信号生成单元的信号输出端ps23接为差动电容PWM变换器的PWM信号输出端；所述的单电源型PWM信号生成单元由换向环节、单电源滞环比较器、电压跟随器及换算电阻R20组成，换向环节左右各有二个信号端hlc211和hlc212与hrc213和hrc214，单电源滞环比较器有一个信号输入端bs221和一个信号输出端bs222，电压跟随器有二个信号端gs231和gs232；换向环节的左信号端hlc211和hlc212分别接为PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22，换向环节的右信号端hrc213和hrc214分别与电压跟随器的信号端gs231与gs232相连接，电阻R20跨接在滞环比较器的信号输入端bs221与信号输出端bs222之间，同时滞环比较器的信号输入端bs221接电压跟随器的信号端gs231，滞环比较器的信号输出端bs222接为PWM信号生成单元的信号输出端ps23；所述的差动电容由二个电容即下桥臂电容C11和上桥臂电容C12组成，二个电容的公共端为qc10，二个信号端为qs11和qs12，电容C11或C12可以采用二个或多个电容串联或并联形成；所述的换向环节的第一种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成一种头尾相连的环形结构，D211和D214由左信号端hlc211和hlc212分别接到右信号端hrc213和hrc214，而D212和D213则由右信号端hrc213和hrc214分别交叉连接到左信号端hlc212和hlc211；所述的换向环节的第二种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成另一种头尾相连的环形结构，D211和D214由右信号端hrc213和hrc214分别接到左信号端hlc211和hlc212，而D212和D213则由左信号端hlc211和hlc212分别交叉连接到右信号端hrc214和hrc213；所述的电压跟随器由一个运算放大器A23和一个电阻R230组成，电阻R230跨接在运放A23的输出端与负输入端之间，运放A23的正输入端接为电压跟随器的信号端gs231，运放A23的负输入端接为电压跟随器的信号端gs232；所述的单电源滞环比较器由电压比较器B22与电阻R220、R221、R222组成，比较器B22的负输入端接为滞环比较器的信号输入端bs221，电阻R220跨接在比较器B22的输出端与正输入端之间，比较器B22的正输入端通过电阻R221接负电源-Pv、通过电阻R222接正电源+Pv，比较器B22的输出端接为滞环比较器的信号输出端bs222。单电源型差动电容PWM变换器结构框图如图2所示。单电源滞环比较器的结构原理图如图8所示。

单电源型PWM信号生成单元集成在一个单片上作为一个单片PWM信号生成单元器件使用，单电源型单片PWM信号生成单元共有五个引脚：二个信号输入端、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个PWM信号输出端。

双电源型差动电容PWM变换器的系统原理图如图9所示，单电源型差动电容PWM变换器的系统原理图如图10所示。工作时电压跟随器的运放A23的正负二个输入端的电压即电压跟随器的二个信号端gs231和gs232的电压保持一致。滞环比较器工作时比较器B22的输出电压通过电阻R20同时带动电压跟随器经换向环节对差动电容进行充放电控制。滞环比较器输出正(高)电平时比较器B22通过R20经D212对上桥臂电容C12充电，运放A23输出则通过电阻R230经D213对下桥臂电容C11充电。B22输出负(低)电平时比较器B22通过电阻R20经D211对下桥臂电容C11放电，运放A23输出则通过电阻R230经D214对上桥臂电容C12放电。

比较器B22输出正电平时其正输入端经电阻R220、R221(与R222)对B22的输出电压分压得到一个绝对值较低的正阀值电压。随着B22对电容C12充电的进行，B22负输入端电压逐步升高，同时电压跟随器通过对电容C11充电使电容C11上的电压与电容C12上的电压保持一致。当B22负输入端的电压刚高于正输入端的阀值电压时比较器B22输出电压翻转，输出由正电平跃变为负电平。B22输出负电平，B22的正输入端得到一个绝对值较低的负阀值电压，随着B22对电容C11放电的进行，B22负输入端电压逐步降低，同时电压跟随器通过对电容C12放电使电容C12上的电压与电容C11上的电压保持一致。当B22负输入端的电压刚低于正输入端的阀值电压时比较器B22输出电压翻转，输出由负电平跃变为正电平。如此B22与A23、换向环节、差动电容等器件组成一个振荡电路，B22持续输出振荡脉冲信号波形。

比较器B22对C11的放电时间与时间常数R20*C11成正比，即T1＝K*R20*C11，K为常数；B22对C12的充电时间与时间常数R20*C12成正比，即T2＝K*R20*C12。当C11、C12变化时T1、T2随之改变，比较器B22输出正脉宽为T2、负脉宽为T1的PWM脉冲信号。工作波形如图11所示。

设：脉冲信号波形的脉宽差合比为Q，差合比Q定义为：正脉宽T₂与负脉宽T₁的差(T₂-T₁)与整周期(T₂+T₁)之比。即Q在正负脉冲宽度相同时为0，仅有正脉冲时为1，仅有负脉冲时为-1。

则：比较器B22输出脉冲信号波形的差合比Q为：

$Q=\frac{T_2-T_1}{T_2+T_1}=\frac{{\mathrm{KR}}_{311}{C}_{12}-{\mathrm{KR}}_{311}{C}_{11}}{{\mathrm{KR}}_{311}{C}_{12}+{\mathrm{KR}}_{311}{C}_{11}}=\frac{C_{12}-C_{11}}{C_{12}+C_{11}}$

可见比较器B22输出脉冲信号波形的差合比与差动电容容值的差和比一致。

差动电容PWM变换器输入为差动电容的容值，输出为PWM脉冲电压波形。差动电容PWM变换器直接利用差动电容组成脉冲振荡器，产生差合比与差动电容容值差和比成线形关系的PWM脉冲信号，电路简单可靠，具有很大的实用价值。

运算放大器A23与电压比较器B22(也可以用运放或类似功能的电路来代替)是有源器件，通常(但不限于)采用相同的电源电压，电压形式通常(但不限于)采用正负双电源供电形式或单电源供电形式。

组成换向环节的四个二极管D211、D212、D213、D214也可以采用其它单向导通器件作为单向开关或采用集成形式的器件。

电阻R20通常(但不限于)取10KΩ～200KΩ。电阻R220通常(但不限于)取5KΩ～50KΩ。电阻R221、R222通常(但不限于)取R222＝R221，阻值通常(但不限于)取5KΩ～50KΩ。电阻R230的取值通常(但不限于)取0Ω～10KΩ，R230为0Ω相当于用导线短路。

本发明差动电容PWM变换器仅采用半导体器件与阻容元件构成，避免传统电路使用的电感、互感等元件，具有结构简单可靠、成本低廉、性能稳定、易于集成化等特点，在工业现场参数测量、仪器仪表、医疗器械等领域有着广泛的应用价值。

附图说明

图1双电源型差动电容PWM变换器结构框图。

图2单电源型差动电容PWM变换器结构框图。

图3差动电容的结构原理图。

图4换向环节的第一种电路原理图。

图5换向环节的第二种电路原理图。

图6电压跟随器的原理图。

图7双电源滞环比较器的结构原理图。

图8单电源滞环比较器的结构原理图。

图9双电源型差动电容PWM变换器的系统原理图。

图10单电源型差动电容PWM变换器的系统原理图。

图11差动电容PWM变换器工作波形。

图12PWM电容测量仪电路图。

图13PWM电容测量仪传输特性。

图14电容式PWM差压检测仪电路图。

图15电容式PWM差压检测仪传输特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的引用进行举例说明。

实施例1

PWM电容测量仪

PWM电容测量仪电路如图12所示。

电容测量应用时将待测电容C12与基准电容C11接成半桥形式的差动电容，基准电容C11采用容量与待测电容C12较为接近的高精度高稳定电容。

差动电容与PWM信号生成单元组成PWM变换器。

PWM电容测量仪由PWM变换器与低通滤波器组成。PWM变换器的输出端连接至低通滤波器的输入端。低通滤波器通常采用由运算放大器A3、电阻R30、R31、R32、电容C31组成的惯性电路形式。

PWM信号生成单元输出PWM脉冲信号波形经过低通滤波器滤波后A4的输出电压平均值Uo与PWM脉冲信号峰值电压Up(接近电源电压Pv)的关系为：

$U_O=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_o\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T_1+T_2}[{\∫}_0^{T_1}(-U_P)\mathrm{dt}+{\∫}_{T_1}^{T_1+T_2}{U}_P\mathrm{dt}]=\frac{T_2-T_1}{T_2+T_1}{U}_P=\frac{C_{12}-C_{11}}{C_{12}+C_{11}}{U}_P$

即：低通滤波器的输出电压与差动电容容值差和比成正比。

待测电容C12与基准电容C11的关系如下：

$C_{12}=\frac{U_P+U_O}{U_P-U_O}{C}_{11}$

即当Uo＝-Up时，C12＝0；当Uo＝0时，C12＝C11；当Uo＝Up时，C12＝∞。

PWM电容测量仪可以测量0～C11～∞范围的电容容量值，考虑测量精度通常将测量范围控制在0～3C11之间。

PWM电容测量仪输入为待测电容的容量值，输出为与待测电容的容量值成双曲关系的直流电压信号，PWM电容测量仪传输特性如图13所示。

通过对脉冲电压Up、输出电压Uo及基准电容C11的计算，容易得到待测电容C12的容量值，从而实现电容容值的测量。

实施例2

电容式PWM差压检测仪

电容式PWM差压检测仪电路如图14所示。

电容式PWM差压检测仪使用内部有二个电容C11、C12的差动电容压力传感器与防护电容C01、C02组成差动电容，并与PWM信号生成单元组成PWM变换器。

防护电容C01、C02用于保护差动电容传感器不被高电压击穿与隔离直流，防护电容C01、C02通常采用耐压较高、容量较大、频率特性较好的电容。

PWM变换器与二阶低通滤波器组成电容式PWM差压检测仪。

工作时压力信号作用于差动电容传感器，其电容容值会随着压差的变化而变化，导致一个电容容值增大而另一个电容容值减小，PWM变换器输出一个差合比与差动电容容值差和比一致的PWM脉冲电压信号，经低通滤波器输出一个大小与压差成比例的直流电压信号。

电容式PWM差压检测仪输出电压与输入压差之间的关系如下：

由： $\mathrm{\ΔP}=K_P\frac{C_{12}-C_{11}}{C_{12}+C_{11}}$ 与 $U_O=\frac{C_{12}-C_{11}}{C_{12}+C_{11}}{U}_P$

得：U_O＝ΔP×U_p/K_p或 $\mathrm{\ΔP}=K_P\frac{U_O}{U_P}$

电容式PWM差压检测仪的传输特性如图15所示，电容式PWM差压检测仪输入为压差信号，输出为与压差大小成比例的直流电压信号，从而实现了压差值的测量。

Claims (10)

1.一种差动电容PWM变换器，采用双电源供电，即双电源型差动电容PWM变换器，有二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个PWM信号输出端；其特征在于：双电源型差动电容PWM变换器由差动电容与双电源型PWM信号生成单元组成，差动电容有一个公共端qc10、二个信号端qs11和qs12，双电源型PWM信号生成单元有二个信号输入端ps21与ps22、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个信号输出端ps23，双电源型PWM信号生成单元与外接差动电容组成脉冲振荡器，产生差合比与外接差动电容容值差和比成线形关系的PWM脉冲信号；差动电容的公共端qc10接地，差动电容的信号端qs11和qs12分别与PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22相连接，PWM信号生成单元的信号输出端ps23接为差动电容PWM变换器的PWM信号输出端。

2.按权利要求1所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的双电源型PWM信号生成单元由换向环节、双电源滞环比较器、电压跟随器及换算电阻R20组成，换向环节左右各有二个信号端hlc211和hlc212与hrc213和hrc214，双电源滞环比较器有一个接地端GND、一个信号输入端bs221和一个信号输出端bs222，电压跟随器有二个信号端gs231和gs232；换向环节的左信号端hlc211和hlc212分别接为PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22，换向环节的右信号端hrc213和hrc214分别与电压跟随器的信号端gs231与gs232相连接，电阻R20跨接在滞环比较器的信号输入端bs221与信号输出端bs222之间，同时滞环比较器的信号输入端bs221接电压跟随器的信号端gs231，滞环比较器的信号输出端bs222接为PWM信号生成单元的信号输出端ps23。

3.按权利要求1所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的差动电容由二个电容即下桥臂电容C11和上桥臂电容C12组成，二个电容的公共端为qc10，二个信号端为qs11和qs12，电容C11或C12可以采用二个以上电容串联或并联形成。

4.按权利要求2所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的换向环节的第一种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成一种头尾相连的环形结构，D211和D214由左信号端hlc211和hlc212分别接到右信号端hrc213和hrc214，而D212和D213则由右信号端hrc213和hrc214分别交叉连接到左信号端hlc212和hlc211。

5.按权利要求2所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的换向环节的第二种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成另一种头尾相连的环形结构，D211和D214由右信号端hrc213和hrc214分别接到左信号端hlc211和hlc212，而D212和D213则由左信号端hlc211和hlc212分别交叉连接到右信号端hrc214和hrc213。

6.按权利要求2所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的电压跟随器由一个运算放大器A23和一个电阻R230组成，电阻R230跨接在运放A23的输出端与负输入端之间，运放A23的正输入端接为电压跟随器的信号端gs231，运放A23的负输入端接为电压跟随器的信号端gs232。

7.按权利要求2所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：所述的双电源滞环比较器由电压比较器B22与电阻R220、R221组成，比较器B22的负输入端接为滞环比较器的信号输入端bs221，电阻R220跨接在比较器B22的输出端与正输入端之间，比较器B22的正输入端通过电阻R221接地，比较器B22的输出端接为滞环比较器的信号输出端bs222。

8.按权利要求1所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：双电源型PWM信号生成单元集成在一个单片上作为一个单片PWM信号生成单元器件使用，双电源型单片PWM信号生成单元共有六个引脚：二个信号输入端、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个接地端GND、一个PWM信号输出端。

9.一种差动电容PWM变换器，采用单电源供电，即单电源型差动电容PWM变换器，有二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个PWM信号输出端；其特征在于：单电源型差动电容PWM变换器由差动电容与单电源型PWM信号生成单元组成，差动电容有一个公共端qc10、二个信号端qs11和qs12，单电源型PWM信号生成单元有二个信号输入端ps21与ps22、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个信号输出端ps23；差动电容的公共端qc10接负电源端-Pv或正电源端+Pv，差动电容的信号端qs11和qs12分别与PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22相连接，PWM信号生成单元的信号输出端ps23接为差动电容PWM变换器的PWM信号输出端；所述的单电源型PWM信号生成单元由换向环节、单电源滞环比较器、电压跟随器及换算电阻R20组成，换向环节左右各有二个信号端hlc211和hlc212与hrc213和hrc214，单电源滞环比较器有一个信号输入端bs221和一个信号输出端bs222，电压跟随器有二个信号端gs231和gs232；换向环节的左信号端hlc211和hlc212分别接为PWM信号生成单元的信号输入端ps21与ps22，换向环节的右信号端hrc213和hrc214分别与电压跟随器的信号端gs231与gs232相连接，电阻R20跨接在滞环比较器的信号输入端bs221与信号输出端bs222之间，同时滞环比较器的信号输入端bs221接电压跟随器的信号端gs231，滞环比较器的信号输出端bs222接为PWM信号生成单元的信号输出端ps23；所述的差动电容由二个电容即下桥臂电容C11和上桥臂电容C12组成，二个电容的公共端为qc10，二个信号端为qs11和qs12，电容C11或C12可以采用二个以上电容串联或并联形成；所述的换向环节的第一种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成一种头尾相连的环形结构，D211和D214由左信号端hlc211和hlc212分别接到右信号端hrc213和hrc214，而D212和D213则由右信号端hrc213和hrc214分别交叉连接到左信号端hlc212和hlc211；所述的换向环节的第二种电路形式由四个二极管D211、D212、D213、D214组成，四个二极管接成另一种头尾相连的环形结构，D211和D214由右信号端hrc213和hrc214分别接到左信号端hlc211和hlc212，而D212和D213则由左信号端hlc211和hlc212分别交叉连接到右信号端hrc214和hrc213；所述的电压跟随器由一个运算放大器A23和一个电阻R230组成，电阻R230跨接在运放A23的输出端与负输入端之间，运放A23的正输入端接为电压跟随器的信号端gs231，运放A23的负输入端接为电压跟随器的信号端gs232；所述的单电源滞环比较器由电压比较器B22与电阻R220、R221、R222组成，比较器B22的负输入端接为滞环比较器的信号输入端bs221，电阻R220跨接在比较器B22的输出端与正输入端之间，比较器B22的正输入端通过电阻R221接负电源-Pv、通过电阻R222接正电源+Pv，比较器B22的输出端接为滞环比较器的信号输出端bs222。

10.按权利要求9所述的差动电容PWM变换器，其特征在于：单电源型PWM信号生成单元集成在一个单片上作为一个单片PWM信号生成单元器件使用，单电源型单片PWM信号生成单元共有五个引脚：二个信号输入端、二个电源端即负电源端-Pv与正电源端+Pv、一个PWM信号输出端。

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