使用“標簽外”的 CMOS 觸發(fā)器實現(xiàn)精密電容傳感器

應用于藥品時，術語“標簽外”表示一種藥物的（經常發(fā)現(xiàn)的）實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）通過相關的 R、C 和二極管網絡交叉連接，將其變成一個約 100kHz 的 RC 振蕩器。正振蕩半周期（引腳 13 高電平）的持續(xù)時間 （T+） 由 R2C2 控制，而 R1t（微調器的上半部分）和 Cx（濕度傳感器電容）控制負振蕩的持續(xù)時間 （T-）（引腳13 低）半周期。

增加濕度會增加 Cx，從而增加 R1tCx 和 T-，反之亦然。同時，當 R1t 將 T 脈沖耦合到 Cx 和 S#2 引腳 8 上的時序斜坡時，微調器 （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。

時間常數(shù) R1tCx與R1bCref之間的相對差異構成了電容測量的基礎。如果 R1tCx 《 R1bCref，表明濕度低于 R1 上的設定值，則引腳 8 上的斜坡將超過 0/1 閾值并在引腳 6 上的斜坡之前結束 T-。這將允許 FF#1 在 T- 結束時由引腳 13 上的上升沿計時時復位，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，從而提高開關點精度和穩(wěn)定性。

同一電路在許多其他電容感應應用中同樣適用，例如非接觸式位置傳感器/運動限位開關（圖 2）。

圖 2使用 CD4013B 的運動限制/位置感應接近開關。

檢測和控制儲液器中的液位是另一個合適的應用，因為 Cx 會增加，因為液位上升會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。