利用「標示外」CMOS觸發器實現精密電容感測器
作者 : Stephen Woodward，EDN特約作者
古老的CMOS觸發器(flip-flop)儘管是傳統的雙穩態邏輯元件，但它也具有作為類比元件的極佳「標示外」潛力...
當涉及到藥品時，所謂的「標示外」(off-label)使用表明了某種藥物(經常被發現)並不同於其最初開發的實際(且有益)之用途，而是將藥物用於未經核准的適應症、年齡層、劑量或給藥途徑。
電子元件也會出現這種情況，例如古老的CD4013B雙D CMOS觸發器(flip-flop)。儘管將4013標記為傳統的雙穩態邏輯元件，但它也具有可用於作為類比元件的極佳「標示外」潛力。
例如，下面是將它用作電容比較器的工作原理，如圖1所示。
圖1：將CD4013B用作電容式濕度感測器的電路圖。
將2號觸發器的Q輸出(接腳12和13)和S/R輸入(接腳8和10)透過相關的R、C和二極體網路交叉連接，就成為了100kHz RC振盪器。振盪的正半週期(接腳13為高)持續時間(T+)由R2C2控制，而R1t (微調器的上半部份)和Cx (濕度感測器電容)則用來控制其負半週期(接腳13為低)持續時間(T–)。
濕度增加會導致Cx增加，從而使R1tCx以及T–增加，反之亦然。同時，隨著R1t將T–脈衝耦合到Cx和2號觸發器S接腳(接腳8)的時序斜坡，微調器的下半部份(R1b)則將其耦合到Cref和1號觸發器S接腳(接腳6)上非常相似的斜坡。
時間常數R1tCx與R1bCref之間的相對差異構成了電容測量的基礎。如果R1tCx＜R1bCref，這表明濕度低於R1的設定值，則接腳8上的斜坡將在接腳6上的斜坡之前越過0/1閾值並結束T–。這樣，1號觸發器在由接腳13上的上升緣定時時就能在T–結束時被重設，因此可以斷言Cref＞Cx。
相反地，如果R1tCx＞R1bCref，則接腳6將首先越過閾值，而使1號觸發器保持置位，因此可以斷言Cx＞Cref。
由於兩個觸發器都位於同一個晶片上，因此儘管溫度和電源電壓發生變化，它們各自的S輸入閾值仍將相互密切跟蹤，這就提高了開關點的精度和穩定性。
相同的電路在許多其他電容感應應用中同樣適用，例如非接觸式位置感測器/運動限位開關(圖2)。
圖2：使用CD4013B的運動限位/位置感測近接開關。
儲液器中液位的檢測和控制是另一個合適的應用，因為上升的液位會導致液體和絕緣探頭之間的電容增加，從而使Cx增加(圖3)。
圖3：使用CD4013B的液位感測器。
編譯：Franklin Zhao
(參考原文：CMOS flip-flop used “off label” implements precision capacitance sensor，by Bill Schweber)
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