差动脉冲宽度调制电路

此类测量电路是根据不同容量的电容器（在充电电流相同的情况下）充放电时间不同的原理进行工作的（大电容充放电时间长，小电容充放电时间短），通常用于差动电容式传感器的测量，其电路原理如图7．16所示。该电路主要由两个参数相同的电压比较器A1和A2、双稳态触发器、差动电容C1和C2、两个充电电阻R1＝R2＝R、放电二极管VD1和VD2、低通滤波器A3组成。要求双稳态触发器的电源电压US高于参考电压Ur。

图7．16 差动脉冲宽度调制电路

设电源接通时，双稳态触发器的A端为高电平，B端为低电平，因此A点通过R1缓慢向C1充电（此时VD1处于截止状态，其电阻近似为无穷大），当充电至M点的电压高于参考电压Ur时，电压比较器A1的输出端（即双稳态触发器的R端）电压翻转，产生一个脉冲，触发双稳态触发器的输出状态也发生翻转，使A端变为低电平，B端变为高电平。此时VD1处于导通状态，其电阻近似为零，因此C1通过VD1快速放电使M点电压迅速从Ur降低为零，而同时B点通过R2缓慢向C2充电（此时VD2处于截止状态，其电阻近似为无穷大），使N点的电位由零缓慢上升，当N点电位上升至Ur时，电压比较器A2的输出电压翻转，产生脉冲，使双稳态触发器的输出状态再一次发生翻转，又一次使A端为高电平，B端为低电平。如此周而复始，从而在双稳态触发器的A、B两个输出端各自产生一个宽度受C1和C2调制的脉冲方波。下面讨论输出电压Uo与差动电容C1和C2的关系。

当C1＝C2时，因两者的充电时间相同，因此A、B两端产生的脉冲宽度相同，电路上各点的电压波形如图7．17（a）所示。从图中可知，滤波器A3的输入电压uAB在一个周期内的平均值为零，使得滤波器的输出电压Uo＝0。

当C1＞C2时，因C1的充电时间大于C2的充电时间，因此A端产生的脉冲要比B端的脉冲宽度长（即uA的占空比大于uB的占空比），电路上各点的电压波形如图7．17（b）所示。从图中可知，滤波器A3的输入电压uAB在一个周期内的平均值大于零，使得滤波器输出的直流电压Uo＞0。

当C1＜C2时，同理可知，滤波器A3的输入电压uAB在一个周期内的平均值小于零，使得滤波器输出的直流电压Uo＜0。

由电路原理可知，滤波器的输出直流电压Uo为uA的平均值UAP与uB的平均值UBP之差，即

式中 T1——C1的充电时间；

T2——C2的充电时间。

图7．17 脉冲宽度调制电路电压波形图

将式（7．40）代入式（7．39）可得

将差动变极距型电容式传感器的电容公式代入式（7．41）可得

式中 d1——C1的极距；

d2——C2的极距。

对于差动变极距型电容式传感器，当动极板处于中间位置时，d2＝d1＝d0，由式（7．42）可知，此时脉冲宽度调制电路的输出电压为零。当动极板向上移动Δd时，d1＝d－Δd0，而d2＝d＋Δd0，由式（7．42）可知，此时脉冲宽度调制电路的输出电压为

同理，当动极板向下移动Δd时，输出电压为

由式（7．43）和式（7．44）可知，脉冲宽度调制电路的输出电压不仅能反映位移的大小，而且能反映位移的方向。

对于差动变面积型电容式传感器，将其电容公式代入式（7．41）可得

式中 A1——C1的极板遮盖面积；

A2——C2的极板遮盖面积。

当动极板左右移动导致C1和C2的面积变化ΔA时，输出电压为

式中 A0——动极板处于中间位置时C1和C2的极板遮盖面积。

综上所述，除此之外，差动脉宽调制电路具有如下优点：

①对于差动脉宽调制电路，不论是变极距型还是变面积型电容式传感器，电容的变化量与输出电压都呈线性关系。

②不需要像调幅电路那样对器件提出线性要求；脉宽调制电路的电源为精度要求不高的直流电源，不像谐振电路那样需要一个精度很高的高频振荡源。

③效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出，不像调频电路和运算放大器式电路那样需要高输入阻抗的放大器。

④脉宽调制电路输出电压的极性反映了电容变化的方向，因此不需要解调器。

⑤由于低通滤波器的作用，对输出信号波形（矩形波）的纯度要求不高。

这些特点都是其他电容传感器的测量电路无法比拟的，因此，差动脉宽调制电路在电容式传感器中得到了广泛应用。