土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)方案（三）

振蕩電路

振蕩電路的作用是將電容的變化量轉(zhuǎn)化為頻率可變的方波。由圖3可知，這是一個(gè)非對(duì)稱多諧振蕩器。或非門G1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，把它的輸出電壓直接連接到或非門G2的輸入端。G2即可得到一個(gè)介于高低電平之間的靜態(tài)偏置電壓，從而使G2的靜態(tài)工作點(diǎn)也處于電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)上。反饋環(huán)路中電容使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間往復(fù)振蕩。

由于電容充放電的時(shí)間T為2.2RC，所以輸出的方波頻率：可見輸出頻率和電容值成反比。通過這個(gè)電路使?jié)穸刃盘?hào)變?yōu)殡娙葜担詈笞優(yōu)轭l率信號(hào)輸出。

消除零點(diǎn)電容

需要指出的是，圖3所示的濕度傳感器零點(diǎn)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(diǎn)電容消除掉，在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們用兩片CMOS4001集成電路對(duì)圖3進(jìn)行改造，具體見圖4。

A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的波形如圖5所示。由圖4中U1的4個(gè)或非門組合邏輯可知：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(diǎn)電容，經(jīng)過調(diào)制的電容變化信號(hào)也就是濕度信號(hào)。將同一封裝內(nèi)的門電路U2A、U2B、U2C、U2D并聯(lián)使用，可以擴(kuò)大CMOS門電路輸出低電平時(shí)吸收負(fù)載電流的能力。

線性輸出信號(hào)調(diào)理

電路濕度的脈沖信號(hào)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(hào)比較微弱，再經(jīng)過一個(gè)同向比例放大器把信號(hào)放大，最終把信號(hào)調(diào)理為0～3V的輸出。

濕度變送器的設(shè)計(jì)

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(hào)輸出。其電路如圖7所示。

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(cè)量范圍。RCM取為1KO，它提供一個(gè)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(gè)裝置的電壓，電流傳遞函數(shù)為：

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(huì)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(yán)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(diǎn)。當(dāng)電源電壓低于36V時(shí)，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(shí)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(fù)載RL用于將傳送的4～20mA的電流轉(zhuǎn)換為電壓，供后級(jí)處理。選擇負(fù)載阻抗RL，應(yīng)使得輸出在4～20mA范圍內(nèi)變化時(shí)，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：

所以取RL=250Ω。