消除零點電容 - 基于HS1101的濕度傳感器設(shè)計

　　需要指出的是，圖3 所示的濕度傳感器零點電容比較大，靈敏度不夠高，濕度從0%～100%RH，電容的變化量不超過30～50PF。為此，最好將零點電容消除掉，在實際設(shè)計中我們用兩片CMOS4001 集成電路對圖3 進行改造，具體見圖4。

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　　A、B、C、D 四個點的波形如圖5 所示。由圖4 中U1 的4 個或非門組合邏輯可知：

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　　只要調(diào)整C 的脈沖寬度，就可以得到D 的脈沖寬度，從而可以消除零點電容，經(jīng)過調(diào)制的電容變化信號也就是濕度信號。將同一封裝內(nèi)的門電路U2A、U2B、U2C、U2D 并聯(lián)使用，可以擴大CMOS 門電路輸出低電平時吸收負載電流的能力。

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　　3.3 線性輸出信號調(diào)理

　　電路濕度的脈沖信號再經(jīng)過后面的二極管整流、RC積分電路，得到隨溫度變化的電壓。由于信號比較微弱，再經(jīng)過一個同向比例放大器把信號放大，最終把信號調(diào)理為0～3V的輸出。

　　4 濕度變送器的設(shè)計

　　在工業(yè)現(xiàn)場，采集到的信號經(jīng)長線傳輸時，往往會產(chǎn)生以下問題：由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€會受到噪聲的干擾;傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降。為了解決這些問題，通常用電流來傳輸信號，這就用到了變送器。

　　本文采用了美國BB 公司生產(chǎn)的XTR105 作為濕度變送器的芯片，把濕度傳感器輸入的0～3V 電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA 的電流信號輸出。其電路如圖7 所示。

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　　濕度傳感器輸出的0～3V 電壓通過XTR105 芯片的2 和13 引腳輸入。調(diào)整3 和4 引腳間的電阻RG和RG1 的值，可以改變XTR105 芯片的內(nèi)置儀表放大器增益值，從而選定合適的測量范圍。RCM 取為1KO，它提供一個附加電壓降，使XTR105 的輸入電壓限制在共模方式下的電壓范圍內(nèi)。與RCM 并聯(lián)的0.01μF 旁路電容用于降低共模噪聲。整個裝置的電壓，電流傳遞函數(shù)為：

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　　其中Rm=RG·RG1/(RG+RG1)，VIN 是VIN+(13 引腳)，VIN-(2 引腳)兩端輸入電壓。VREG 引腳(11引腳)還專門為外部電路提供5.1V 的精密電壓，11引腳最大輸出電流為1mA，超過1mA 會影響到零輸出電流。

　　三極管Q1 是4～20mA 電流回路的主要電流傳導(dǎo)器件，用于吸收回路中的大部分電流。該器件將外部電源電流與XTR105 的內(nèi)部消耗嚴格分開。由于外接三極管位于反饋回路中，其參數(shù)不能在臨界點。

　　當(dāng)電源電壓低于36V 時，功耗可低一些。IN4048 接成的橋式電路可以保證XTR105 的電源極性不反接，從而真正實現(xiàn)兩線制。C2 為去耦電容，其值是0.01μF，用于降低高頻干擾。負載RL 用于將傳送的4～20mA 的電流轉(zhuǎn)換為電壓，供后級處理。選擇負載阻抗RL，應(yīng)使得輸出在4～20mA 范圍內(nèi)變化時，引腳7 和引腳8 之間的電壓保持在11.6V～40V 的電源電壓范圍內(nèi)。也可以由下式確定最大的RL：

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　　所以取 RL=250Ω。

　　5 結(jié)語

　　我們對所設(shè)計的濕度傳感器進行了準確度測量。將濕度傳感器置入TERCHY 公司的MHU-SA 恒溫恒濕箱內(nèi)，用VAISALA 公司的HMP143A 高精度濕度測量儀及萬用表對濕度傳感器輸出信號進行測量，結(jié)果見表1。從表1 的測試結(jié)果可以看出：該傳感器的測量準確度達到了±2.5%以內(nèi)。