基于CAV424與AM402的電容式油位測量轉(zhuǎn)換電路

周 杰，馬小燕，錢 靜

揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225127

基于CAV424與AM402的電容式油位測量轉(zhuǎn)換電路

周 杰，馬小燕，錢 靜

揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225127

本文介紹了一種基于集成電路CAV424與AM402的電容式油位測量轉(zhuǎn)換電路，該電路可應(yīng)用于汽車油箱內(nèi)油位的檢測。其中CAV424將電容信號轉(zhuǎn)換為同比例變化的差分電壓信號，再經(jīng)集成電路AM402轉(zhuǎn)化成4mA～20mA直流電流。通過調(diào)節(jié)外接電阻就可以實現(xiàn)輸出信號零點與滿度的調(diào)整，且在很大程度上減小分布電容對輸出的影響，實驗證明該電路系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，測量精度高。

CAV424；AM402；電容傳感器；油位測量

0 引言

電容式測量電路結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、非線性誤差小、以及能有效地改善由于溫度的影響所產(chǎn)生的誤差等特點使其廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)與科研。絕大多數(shù)電容測量電路都是采用簡單的并聯(lián)諧振電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化，再將頻率轉(zhuǎn)換成電壓。

1 CAV424工作原理

CAV424是德國AMG公司的一款多用途的處理各種電容式傳感器信號集成電路，它可以檢測10pF到2nF的電容值，被檢測電容需要在參考電容值的5%到100%內(nèi)變化。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。一個通過電容COSC頻率可調(diào)的參考振蕩器驅(qū)動兩個構(gòu)造對稱的積分器，并使它們在時間和相位上同步，參考振蕩器電流IOSC由外接電阻ROSC和參考電壓Vm來確

兩個積分器的振幅由電容Cx1和Cx2來決定，Cx1是參考電容而Cx2是被測電容,兩個振幅的差值反映電容Cx1和Cx2的相對變化量,再通過內(nèi)置的信號處理電路將Cx1和Cx2的電壓相減和參考電壓Vm一起得出差分電壓輸出。

2 AM402工作原理

AM402是一個用于處理差分電橋信號的電壓電流輸出轉(zhuǎn)換接口集成電路，它是由一個用差分輸入信號放大的高度精度儀表放大器，一個可調(diào)的高度穩(wěn)定的參考電壓（4.5V～10V）以及一個由電壓控制的電流輸出級組成，能夠?qū)?V～1.15V范圍內(nèi)的差分電壓信號轉(zhuǎn)換為4mA～20mA直流電流。AM402由3個基本單元組成∶

1）一個高精度的前置放大器，它有較大的增益調(diào)節(jié)范圍，適合于不同信號輸入范圍，可以用于各種不同變化范圍的傳感器信號處理。GIA增益的大小由外接的電阻R1和R2來決定；

2）一個由電壓控制的電流輸出級。通過調(diào)節(jié)外接的電阻就可以使輸出電流在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。這兩個個電阻同時確定了輸出最小電流；

3）一個可調(diào)的參考電壓級VREF（VSET=空5V 或VSET=接地10V）可以供給需要常數(shù)電壓的傳感器使用或者可以作為外接電路的電源。

3 系統(tǒng)電路總體設(shè)計

系統(tǒng)總體電路如圖1所示。

某電容傳感器采用Fe-Ni合金作為電極材料在油箱內(nèi)高度為150mm， 外半徑R=7mm，壁厚1.5mm， 內(nèi)半徑r=4mm，壁厚1mm。空載時最小電容值Cmin≈130pF,裝滿汽油時Cmax≈260pF,故選擇參考電容Cx1=Cmin，COSC=1.6Cx1≈210pF。輸出差分電壓設(shè)置為0～50mV。令積分器充電電流相等ICx1=ICx2=5μA,可以得出Rcx1= Rcx2=500k; ROSC選用典型值250K; CL1=CL2=1nF;Rl1=Rl2=RL3=100k; RA=RB100k;CVM=100nF;CRL=100nF。

圖1 系統(tǒng)總體電路

AM402采用二線方式輸出時，增益GIA由外接電阻R1和R2調(diào)節(jié)，計算可得R1/R2的數(shù)值：GIA =1+R1R2→R1R2=GIA→1根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，輸出電流Iout =VINGIA/R0+ISET由外接電阻R3和R4 決定。電源電壓VS 和集成電路的最小工作電壓Vccmin（6V）以及負(fù)載電阻RL 之間的關(guān)系必須滿足下VS≥IOUTmaxRL+6V整個電路才能正常工作。CAV424的差分輸出電壓是AM402的輸入，即VIN=0…50mV，選取VREF=5V, GIA=8，算得的外接元件的數(shù)值 是：R0=25Ω ；R1=33kΩ；R2=4.7kΩ；R3=100kΩ；R4=1kΩ ；R5=40Ω ；RL =500Ω ；C1=2.2μF。

參數(shù)確定以后控制單片機沒有信號輸出，室溫下實際測量AM402的電流輸出，如果空載時電流不是4mA或者滿度時不是20mA，可以調(diào)節(jié)電阻Rl1與RA的值實現(xiàn)零點與滿度的校正。

4 實驗

實驗時以93#與97#汽油作為介質(zhì)，以3mm為油位間隔分別進行三次油位上升與下降實驗，并測量所對應(yīng)的輸出電流值，結(jié)果如表1與表2所示。從記錄的數(shù)據(jù)可以看出對于90#汽油輸出電流最大偏差為0.51mA，對于97#汽油輸出電流最大偏差為0.71mA，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。

表1 90#油品數(shù)據(jù)

表2 97#油品數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

介紹了一種電容式汽車油位傳感器電路的設(shè)計方法，該電路以CAV424為核心，將電容信號轉(zhuǎn)換為線性變化的電壓信號，同時利用AM402將差分電壓信號轉(zhuǎn)化成4mA～20mA直流電流。此電路還有很大的擴展空間，如可以實現(xiàn)油品的測量，還可以根據(jù)油位計算出剩余公里數(shù)。

[1]陳衛(wèi)明.電容／電壓轉(zhuǎn)換電路CAV424及其在油品含水率測量的應(yīng)用[J].中國計量學(xué)院學(xué)報，2003，14(2)：94-96.

[2]劉向宇，秦龍.PIC單片機C語言程序設(shè)計實例精粹.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]王艷華，朱東光，張春霞. 新型電流轉(zhuǎn)換器AM402在測量中的應(yīng)用[J].黑龍江水專學(xué)報, 2003，30(3)：57-59.

TN7

A

1674-6708（2011）57-0138-02

周杰，工程師，研究方向：計算機控制

馬小燕，助教，研究方向：電氣自動化