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利用CMOS触发器“标签外”用法实现精密电容传感器

2022-12-09 10:32:36 Stephen Woodward 阅读:
当涉及到药品时,“标签外”一词表明了某种药物(经常被发现)的不同于最初开发的实际而有益的用途。电子元器件也会出现这种情况,例如古老的CD4013B双D CMOS触发器。尽管将4013标记为传统的双稳态逻辑元件,但它却能用作模拟器件而具有极好的标签外潜力。

当涉及到药品时,“标签外”一词表明了某种药物(经常被发现)的不同于最初开发的实际而有益的用途。电子元器件也会出现这种情况,例如古老的CD4013B双D CMOS触发器。尽管将4013标记为传统的双稳态逻辑元件,但它却能用作模拟器件而具有极好的标签外潜力。7bfednc

例如,下面是将它用作电容比较器的工作原理,如1所示。7bfednc

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图1:将CD4013B用作电容式湿度传感器的电路图。7bfednc

将2号触发器的Q输出(引脚12和13)和S/R输入(引脚8和10)通过相关的R、C和二极管网络交叉连接,就将其变成了约100kHz RC振荡器。振荡的正半周期(引脚13为高)持续时间(T+)由R2C2控制,而R1t(微调器的上半部分)和Cx(湿度传感器电容)则用来控制其负半周期(引脚13为低)持续时间(T-)。7bfednc

湿度增加会导致Cx增加,从而使R1tCx以及T-增加,反之亦然。同时,随着R1t将T-脉冲耦合到Cx和2号触发器S引脚(引脚8)上的时序斜坡,微调器的下半部分(R1b)则将其耦合到Cref和1号触发器S引脚(引脚6)上非常相似的斜坡。7bfednc

时间常数R1tCx与R1bCref之间的相对差异构成了电容测量的基础。如果R1tCx<R1bCref,这表明湿度低于R1的设定值,则引脚8上的斜坡将在引脚6上的斜坡之前越过0/1阈值并结束T-。这样,1号触发器在由引脚13上的上升沿定时时就能在T-结束时被复位,因此可以断言Cref>Cx7bfednc

相反,如果R1tCx>R1bCref,则引脚6将首先越过阈值,而使1号触发器保持置位,因此可以断言Cx>Cref7bfednc

由于两个触发器都位于同一个芯片上,因此尽管温度和电源电压发生变化,它们各自的S输入阈值仍将相互密切跟踪,这就提高了开关点的精度和稳定性。7bfednc

相同的电路在许多其他电容感应应用中同样适用,例如非接触式位置传感器/运动限位开关(图2)。7bfednc

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图2:使用CD4013B的运动限位/位置感应接近开关。7bfednc

储液器中液位的检测和控制是另一个合适的应用,因为上升的液位会导致液体和绝缘探头之间的电容增加,从而使Cx增加(图3)。7bfednc

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图3:使用CD4013B的液位传感器。7bfednc

如何利用旧有器件为智能汽车开发新的应用?12月28日,在“中国国际汽车电子高峰论坛”之“智能驾驶与预期功能安全”分论坛上,泛亚汽车、移远通信、英博超算、映驰科技、上海汽检和上海交通大学人工智能研究院等多家厂商和机构将分别带来“智能网联汽车预期功能安全应用实践”、“智能驾驶整体解决方案”、“智能驾驶领域的方案和实践”、“高性能计算软件平台的实践”、“智能网联汽车感知系统预期功能安全研究”和“智能驾驶感知对抗攻击与防御”等主题演讲。会议同期还设有“智能座舱与人机交互”、“电驱电控系统与功率半导体”和“动力电池与智能充电技术”三个分论坛。欢迎工程师朋友们前来学习交流。点击这里报名参加。7bfednc

Stephen Woodward与EDN设计实例(DI)专栏的关系可以追溯到很久以前。自1974年他的第一篇供稿发表以来,总共收到了64篇投稿7bfednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:CMOS flip-flop used “off label” implements precision capacitance sensor,由Franklin Zhao编译。)7bfednc

本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里7bfednc

责编:Franklin
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Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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