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1所示。

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(2)。

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(3)。

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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