Сдвоенные компараторы стабилизируют работу датчика приближения

В датчике приближения, показанном на Рисунке 1, антенной служит кусок фольгированного стеклотекстолита площадью 26 см2, который образует одну пластину конденсатора. Приближающийся (заземленный) человек служит другой пластиной, создавая емкость от 2 до 5 пФ, значение которой увеличивается по мере приближения человека. Например, на расстоянии 15 см от медной поверхности емкость, вносимая человеком, равна примерно 2 пФ.

Выбор батареек для промышленных и бытовых устройств интернета вещей

Этот датчик приближения зажигает светодиод, когда человек приближается к плате антенны в пределах порогового расстояния, установленного потенциометром R2.
Рисунок 1. Этот датчик приближения зажигает светодиод, когда человек приближается к плате антенны
в пределах порогового расстояния, установленного потенциометром R2.

Упрощенная схема на Рисунке 2 показывает, как расстояние/емкость преобразуется в пропорциональное напряжение. Входные прямоугольные импульсы подаются непосредственно на нижний вход логического элемента «исключающее ИЛИ», но задерживаются на 0.693×R1×C1 с, прежде чем они будут восстановлены компаратором и достигнут верхнего входа логического элемента. Результирующий сигнал на выходе элемента «исключающее ИЛИ» фильтруется цепочкой R2, C2, чтобы получить напряжение, пропорциональное расстоянию.

Два входа логического элемента «исключающее ИЛИ», входной сигнал одного из которых задерживается цепочкой R1-C1, а выходной сигнал фильтруется элементами R2 и C2, реализуют преобразование емкости в напряжение.
Рисунок 2. Два входа логического элемента «исключающее ИЛИ», входной сигнал одного
из которых задерживается цепочкой R1-C1, а выходной сигнал фильтруется
элементами R2 и C2, реализуют преобразование емкости в напряжение.

Коэффициент заполнения выходного сигнала элемента «исключающее ИЛИ» пропорционален сумме задержек в цепи R1-C1 и компараторе, поэтому небольшое изменение задержки распространения компаратора может маскировать небольшие изменения емкости антенны. Схема на Рисунке 1 решает эту проблему благодаря использованию сдвоенного компаратора (IC1). Прохождение входных сигналов схемы «исключающее ИЛИ» через почти идентичные компараторы в значительной степени сводит на нет влияние напряжения смещения, дрейфа и задержки распространения компараторов.

Емкость задержки в схеме на Рисунке 1 состоит из конденсатора C1 емкостью 33 пФ, параллельно которому подключены 15 пФ (емкость 15 см коаксиального кабеля при 100 пФ/м) и емкость антенной пластины площадью 26 см2. Эта емкость заряжается до 5 В через резистор R1 во время каждого положительного полупериода входных прямоугольных импульсов. Когда рядом с детектором никого нет, эта емкость равна 48 пФ и дает задержку 16.5 нс на верхнем входе элемента «исключающее ИЛИ». При приближении руки к детектору на расстояние 15 см емкость возрастает до 50 пФ и задержка увеличивается до 17.3 нс, что дает разницу во времени всего 0.8 нс.

Для точного обнаружения такой небольшой разницы во времени в условиях изменения температуры компараторы должны иметь стабильные значения напряжения смещения и задержки распространения. (Изменения напряжения смещения, а также задержки распространения влияют на время задержки). Стабильность одного компаратора с задержкой распространения 10 нс обычно обеспечивает разрешение до 1 нс. Чтобы получить субнаносекундное разрешение, следует использовать подход со сдвоенными компараторами, показанный на Рисунке 1, который увеличивает полезное разрешение в четыре-пять раз.

Операционный усилитель IC2A смещает и усиливает постоянное напряжение в точке TP1, которое соответствует расстоянию между рукой и платой антенны. Движение руки в сторону антенны вызывает увеличение напряжения в точках TP1 и TP2. Усилитель IC2B и транзистор Q1 выполняют функцию компаратора с гистерезисом, который сравнивает напряжение в точке TP2 с напряжением 2.5 В. Таким образом, любое напряжение в точке TP2 выше 2.5 В (что соответствует приближению в 15 см) включает светодиод. Регулировкой потенциометра R2 можно установить порог, отличный от 15 сантиметров, а также к точке TP2 можно подключить цифровой вольтметр, чтобы считывать расстояние приближения в сантиметрах. R3 добавляет гистерезис для обеспечения четкого срабатывания компаратора.

Чтобы обеспечить устойчивость работы быстродействующего сдвоенного компаратора на Рисунке 1, печатная плата в дополнение к слою проводников схемы должна иметь земляной слой. Блокировка по питанию должна включать керамические конденсаторы емкостью 0.1 мФ, расположенные максимально близко к выводам питания компараторов.

  1. Datasheet Maxim MAX406ACPA
  2. Datasheet Maxim MAX912
  3. Datasheet Texas Instruments SN74HC86N

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 32
сейчас смотрят 12
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862