脉冲宽度调制电路

图5－11所示为差动脉冲宽度调制电路，图中C1和C2为传感器的两个差动电容。电路由三个比较器IC1、IC2、IC3，一个双稳态触发器FF和两个充放电回路R1C1和R2C2（R1＝R2）所组成，Ur为直流参考电压。

图5－11 差动脉冲宽度调制电路

电路的工作原理如下：

设电源接通时双稳态触发器Q端输出为高电平（U1），Q端为低电平（0）。则Q端通过R1对C1充电，充电时间常数为τ1＝R1C1，当E点电位UE上升到与Ur相等时，比较器IC1输出一脉冲使触发器翻转，使Q端输出为低电平（0），Q端为高电平（U1）。此时VD1导通，C1迅速放电至零。同时Q端通过R2对C2充电，充电时间常数为τ2＝R2C2，当F点电位UF上升与到与Ur相等时，比较器IC2输出一脉冲使触发器又翻转为Q端输出为高电平端（U1），Q为低电平（0）。同理C1充电，C2放电，从而循环上述过程，在双稳态触发器的两个输出端产生一系列宽度受C1、C2调制的脉冲方波。经比较器IC3得输出电压Uo。各点的波形及输出波形如图5－12所示。在C1＝C2时，T1＝T2，输出电压Uo的平均值等于零。而在差动电容C1、C2值不相等（如C1＞C2）时，则C1、C2的充电时间常数就发生变化， T1≠T2，输出电压Uo的平均值就不再为零。

输出电压Uo经低通滤波器后，即可得到一直流输出电压Uo。在理想情况下，它等于Uo的电压平均值，即

式中 T1、T2——C1、C2的充电时间；

U1——触发器的输出高电平值，为定值。

因此输出直流电压U0随T1、T2而变。而C1、C2的充电时间为

由此可见，电容C1、C2分别与T1、T2成正比。在R1＝R2时

式（5.11）说明，直流输出电压正比于电容C1与C2的差值，其极性可正可负，大小受C1与C2之比的极限所制约。

把平行板电容器公式代入式 （5.11），在变极距的情况下

式中 d1、d2——C1、C2的电极极板间的距离。

当差动电容器C1＝C2＝C0时，对于变极距式，即d1＝d2＝d0，则有U0＝0。

若C1≠C2，并设C1＞C2，即在变极距式中有d1＝d0－Δd，d2＝d0＋Δd，其中Δd为差动电容器动片的微小位移，则式 （5.12）可写成

对于变面积式的差动电容传感器，同样有

图5－12 各点电压波形图

（a）C1＝C2；（b）C1＞C2

根据以上分析，脉冲调宽电路具有以下特点：

①对敏感元件的线性要求不高，无论是变极距式或变面积式，其输出都与输入变化量呈线性关系。

②不需要特殊电路，只要经低通滤波器就可以得到较大的直流输出。

③不需要高频发生装置。

④调宽频率的变化对输出无影响。

⑤由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高。

这些都是其他电容测量电路无法比拟的。