使用“標(biāo)簽外”的 CMOS 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)精密電容傳感器

應(yīng)用于藥品時(shí)，術(shù)語“標(biāo)簽外”表示一種藥物的（經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的）實(shí)際和有益用途不同于其初開發(fā)的用途。這種情況也發(fā)生在電子元件上，例如古老的 CD4013B 雙 D CMOS 觸發(fā)器。盡管 4013 被標(biāo)記為傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)邏輯元件，但它作為模擬部件仍然具有極好的標(biāo)簽外潛力。

例如，這里展示了它作為電容比較器的工作原理，如圖 1所示。

圖 1 CD4013B 用作電容式濕度傳感器的電路圖。

#2 觸發(fā)器的 Q 輸出（引腳 12 和 13）和 S/R 輸入（8 和 10）通過相關(guān)的 R、C 和二極管網(wǎng)絡(luò)交叉連接，將其變成一個(gè)約 100kHz 的 RC 振蕩器。正振蕩半周期（引腳 13 高電平）的持續(xù)時(shí)間 （T+） 由 R2C2 控制，而 R1t（微調(diào)器的上半部分）和 Cx（濕度傳感器電容）控制負(fù)振蕩的持續(xù)時(shí)間 （T-）（引腳13 低）半周期。

增加濕度會(huì)增加 Cx，從而增加 R1tCx 和 T-，反之亦然。同時(shí)，當(dāng) R1t 將 T 脈沖耦合到 Cx 和 S#2 引腳 8 上的時(shí)序斜坡時(shí)，微調(diào)器 （R1b） 的下半部分將其耦合到 Cref 和 S#1 引腳 6 上非常相似的斜坡。

時(shí)間常數(shù) R1tCx與R1bCref之間的相對(duì)差異構(gòu)成了電容測(cè)量的基礎(chǔ)。如果 R1tCx 《 R1bCref，表明濕度低于 R1 上的設(shè)定值，則引腳 8 上的斜坡將超過 0/1 閾值并在引腳 6 上的斜坡之前結(jié)束 T-。這將允許 FF#1 在 T- 結(jié)束時(shí)由引腳 13 上的上升沿計(jì)時(shí)時(shí)復(fù)位，斷言 Cref 》 Cx。

相反，如果 R1tCx 》 R1bCref，則引腳 6 將首先越過閾值，保持 FF#1 置位并斷言 Cx 》 Cref。

由于兩個(gè)觸發(fā)器位于同一芯片中，因此盡管溫度和電源電壓發(fā)生變化，它們各自的 S 輸入閾值仍將密切跟蹤彼此，從而提高開關(guān)點(diǎn)精度和穩(wěn)定性。

同一電路在許多其他電容感應(yīng)應(yīng)用中同樣適用，例如非接觸式位置傳感器/運(yùn)動(dòng)限位開關(guān)（圖 2）。

圖 2使用 CD4013B 的運(yùn)動(dòng)限制/位置感應(yīng)接近開關(guān)。

檢測(cè)和控制儲(chǔ)液器中的液位是另一個(gè)合適的應(yīng)用，因?yàn)?Cx 會(huì)增加，因?yàn)橐何簧仙龝?huì)增加液體與絕緣探頭之間的電容。

圖 3使用 CD4013B 的液位傳感器。