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          壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器


          技術領域

          本發明涉及變送器,特別涉及一種壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器。


          背景技術

          由于壓力變送器信號處理芯片的技術基本被國外企業壟斷,目前國內的壓力變送器生產商大多從國外購買壓力變送器信號處理芯片,然后設計周邊電路組成壓力變送器產品再銷售,利潤率較低。正因如此,國內變送器的生產企業的發展被大大的限制,始終處于被動和落后的狀態。所以,盡快提出一種屬于國內自主研發的壓力變送器信號處理芯片并將其應用于生產中成為了解決行業障礙、突破技術壁壘的關鍵之舉。


          發明內容

          本發明的目的是為了克服上述背景技術的缺陷,提供一種電路結構簡單實用的壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器。

          一種壓力變送器信號處理芯片,包括能將與壓力對應的電容信號在外圍電路的配合下轉化為與壓力對應的頻率信號的電容頻率轉換電路。

          在一實施例中,所述壓力變送器信號處理芯片包括電源輸入腳、電源地引腳、傳感器輸入引腳、參考電壓輸入引腳、反饋信號輸入引腳和頻率信號輸出引腳。所述電容頻率轉換電路包括比較器,所述比較器的正相輸入端和反相輸入端分別連接所述傳感器輸入引腳和參考電壓輸入引腳,其電源端連接電源輸入腳,其接地端連接電源地引腳,其輸岀端連接反饋信號輸入引腳和頻率信號輸出引腳。

          優選的,所述壓力變送器信號處理芯片包括兩個電容頻率轉換電路和一個用于使能所述兩個電容頻率轉換電路中至少一個的輸入通道選擇電路。

          優選的,芯片引腳包括電源輸入腳、電源地引腳、第一傳感器輸入引腳、第二傳感器輸入引腳、參考電壓輸入引腳、第一反饋信號輸入引腳、第二反饋信號輸入引腳、傳感器輸入通道選擇引腳和頻率信號輸出引腳:每個電容頻率轉換電路均包括一比較器,輸入通道選擇電路包括三個與非門和一反相器。其中第一、第二比較器的反相輸入端相互連接后與參考電壓輸入引腳相連,它們的正相輸入端分別接第一和第二傳感器輸入引腳,它們的電源端連接電源輸入腳,它們的接地端連接電源地引腳,它們的輸出端分別連接第一與非門的兩個輸入端;第一和第二比較器的輸出端還分別連接與第二和第三非門的一個輸入端;第一與非門的輸出端連接所述頻率信號輸出引腳。所述傳感器輸入通道選擇引腳通過所述反相器與第二與非門的另一輸入端相連,其還與第三與非門的另一輸入端相連;第二

          和第三與非門的輸出端分別與所述第一和第二反饋信號輸入引腳相連。

          作為一種實施方式,所述的壓力變送器信號處理芯片還包括一第二傳感器輸入通道選擇引腳,其通過一緩沖器與所述傳感器輸入通道選擇引腳相連。

          優選的,所述的壓力變送器信號處理芯片還包括一用于將所述頻率信號進行分頻后輸出的分頻輸出電路,所述分頻輸出電路包括393計數器,其第一時鐘引腳與連接所述頻率信號輸出引腳,其兩個清零引腳均接地,其多個輸出引腳分別用于輸出基于所述頻率信號輸出引腳輸出信號的多個分頻信號,其電源端連接電源輸入腳,其接地端連接電源地引腳。

          本發明還提供了一種應用上述壓力變送器信號處理芯片的壓力變送器,其包括差壓電容傳感器、外圍電路和壓力變送器信號處理芯片。所述外圍電路包括二個反饋電阻和三個參考電阻。所述差壓電容傳感器的高壓測量膜片引腳與所述壓力變送器信號處理芯片的第一傳感器輸入引腳連接,所述壓力變送器信號處理芯片第一反饋信號輸入引腳通過一反饋電阻與所述高壓測量膜片引腳連接。所述差壓電容傳感器的低壓測量膜片引腳與所述壓力變送器信號處理芯片的第二傳感器輸入引腳連接,所述壓力變送器信號處理芯片的第二反饋信號輸入引腳通過另一反饋電阻與所述低壓測量膜片引腳連接。所述壓力變送器信號處理芯片的參考電壓引腳通過第三參考電阻與電源連接,參考電壓引腳還通過第一參考電阻接地。壓力變送器信號處理芯片的頻率信號輸出引腳通過第二參考電阻與所述參考電壓引腳連接。

          其中,所述傳感器輸入通道選擇引腳懸空。

          優選的,所述壓力變送器信號處理芯片還包括一用于將所述頻率信號進行分頻后輸出的分頻輸出電路,所述分頻輸出電路包括393計數器,其第一時鐘引腳與連接所述頻率信號輸出引腳,其兩個清零引腳均接地,其多個輸出引腳分別用于輸出基于所述頻率信號輸出引腳輸出信號的多個分頻信號,其電源端連接電源輸入腳,其接地端連接電源地引腳。

          本發明的壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器結構簡單,易于制造,能夠將壓力變化轉化為電容變化再轉化為頻率變化,使壓力變送器輸出的信號能夠更好地被計算機兼容,對于打破國外企業在本領域設下的技術壁壘有突出的貢獻。


          附圖說明

          圖1為本發明第一種實施例中的壓力變送器信號處理芯片的芯片引腳圖。

          QQ截圖20230725094025.jpg

          圖2為本發明第一種實施例中的壓力變送器信號處理芯片的內部電路圖。

          QQ截圖20230725094038.jpg

          圖3為本發明第一種實施例中的壓力變送器信號處理芯片的應用電路圖。

          QQ截圖20230725094104.jpg

          圖4為本發明第二種實施方案的壓力變送器信號處理芯片的芯片引腳圖。

          QQ截圖20230725094130.jpg

          ]圖5為本發明第二種實施方案的壓力變送器信號處理芯片的內部電路圖。

          QQ截圖20230725094215.jpg

          圖6本發明一實施例中壓力變送器的電路原理圖。

          QQ截圖20230725094229.jpg


          具體實施方式

          下面將結合附圖對本發明的壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器作進一步的描述。

          本發明的壓力變送器信號處理芯片的功能是將接收到的電容信號轉換為頻率信號輸出。具體的,該芯片包括一電容頻率轉換電路,其用于將與壓力對應的電容信號在外圍電路的配合下轉化為與壓力對應的頻率信號。

          實施例一:

          如圖1所示,該壓力變送器信號處理芯片包括10個引腳,具體為電源地引腳GND(引腳號為1),反饋信號輸入引腳FB0(引腳號為2),傳感器輸入引腳IN0(引腳號為3),參考電壓輸入引腳VR 引腳號為6),頻率信號輸出引腳OUTI,OUT、OUT6、 OUT32、OUT64(引腳號分別為7、8、9、10和11)和電源輸入腳VCC.其中,引腳OUT8、OUT16、OUT32、OUT64分別為對引腳OUTl輸出的信號進行8分頻、16分頻、32分頻和64分頻后進行輸出的引腳。

          如圖2所示,該壓力變送器信號處理芯片的內部電路包括用做電容頻率轉換電路的比較器U82A和用于進行分頻以實現多種頻率輸出的計數器U83。比較器U82A的正相輸入端和反相輸入端分別連接傳感器輸入引腳ⅠN和參考電壓輸入引腳VR,其電源端連接電源輸入腳CC,其接地端連接電源地引腳G№。比較器的輸岀端連接反饋信號輸入引腳FB0和頻率信號輸出引腳 OUTI,同時還與計數器U83的第一時鐘引腳1CLK #連。

          計數器U83采用二進制計數器393系列芯片,例如741S393。本實施例中,計數器U83的第一時鐘引腳1CLK E比較器 U2A 輸出端相連,其兩個清零引腳1CLR F2CLR 接地,輸出引腳1QC,1QD,2QA,20B別接頻率信號輸出引腳OUT8、OUT16、OUT32、OUT64,其電源端連接電源輸入腳νCC,其接地端連接電源地引腳G№。此外,計數器U83的第二時鐘引腳2CLKi接其輸出引腳1QD.采用計數器U83對比較器輸出的頻率信號進行分頻是為了適應不同的電路需求。

          在一實際應用中,如圖3所示,由電容傳感器(其輸出端標為C1)、反饋電阻R1、電阻R3、R4和R5組成的外圍電路配合壓力變芯片芯片,構成一RC自振蕩電路,從而使芯片頻率信號輸出引腳輸岀計算機可識別的、且頻率與電容傳感器的輸出電容相關的方波信號。

          實施例二:

          如圖4所示,本實施例中的壓力變送器信號處理芯片比實施例一中的芯片多4個引腳,共有14個引腳。比實施例一中的壓力變送器信號處理芯片多出來的引腳為第二反饋信號輸入引腳FBI(引腳號為5),第二傳感器輸入引腳INI (引腳號為4),以及兩個傳感器輸入通道選擇引腳 SWCO SWCI。

          如圖5所示,該壓力變送器信號處理芯片的內部電路與實施例一相比采用了兩個電容頻率轉換電路、一個輸入通道選擇電路和一作為分頻部的計數器U83。

          其中,第一電容頻率轉換電路包括比較器U82A(為描述方便,以下稱為第一比較器),第二電容頻率轉換電路包括第二比較器U82B,輸入通道選擇電路包括三個與非門U81B,U81C. U81D一個反相器U86BA一個緩沖器U7A。

          第一比較器U82A、第二比較器U82B的反相輸入端相互連接后與參考電壓輸入引腳VR相連,它們的正相輸入端分別接傳感器輸入引腳ⅠN和ⅠNl(也即第一和第二傳感器輸入引腳),它們的電源端連接電源輸入腳ⅤC,它們的接地端連接電源地引腳G№,它們的輸出端分別連接與非門U81C兩個輸入端3A3B第一和第二比較器U82AU82B 輸出端還分別連接與非門U81B輸入端2BFU81D 輸入端4A。

          與非門U81CE輸出端3yi接壓力變送器信號處理芯片的頻率信號輸出引腳OUTI及計數器U83的第一時鐘引腳1CLK.緩沖器U17A 輸入端連接傳感器輸入通道選擇引腳swco,其輸出端連接反相器U86BE輸入端和與非門U81DE輸入端4B.反相器U86B 輸出端和與非門U81B 輸入端2A連,其輸入端還連接傳感器輸入通道選擇引腳SWCI與非門U81B U81D E輸出端分別接反饋信號輸入引腳FBO和 FBl。

          在實際應用中,所述壓力變送器信號處理芯片的傳感器輸入引腳IN0和INl中的至少一個連接電容傳感器,再配合外圍電路,與其內部的比較器共同形成RC自振蕩電路,產生與電容傳感器的輸出信號相關的頻率信號。通常情況下傳感器輸入通道選擇引腳SWCl處于懸空狀態(當后續擴展連接隔離電路時可用到),對于傳感器輸入通道的選擇由傳感器輸入通道選擇引腳 swCo 制。當傳感器輸入通道選擇引腳SWCO0時,壓力變送器信號處理芯片的第一電容頻率轉換電路工作,即芯片輸出來自第一比較器U82A的信號。當傳感器輸入通道選擇引腳SWC置l時,所述壓力變送器信號處理芯片的第二電容頻率轉換電路工作,即芯片輸出來自第二比較器U82B的信號。當傳感器輸入通道選擇引腳SWC懸空時,所述壓力變送器信號處理芯片的兩個電容頻率轉換電路同時工作,此時外部電路可以連接差壓電容傳感器。

          下面結合附圖5和附圖6對應用上述壓力變送器信號處理芯片的差壓電容壓力變送器做進一步地說明。

          一種應用壓力變送器信號處理芯片的壓力變送器,其結構原理如圖6所示,其包括差壓電容傳感器111、外圍電路112和壓力變送器信號處理芯片113。

          如上述所述的壓力變送器,其外圍電路中包含五個電阻RI~R2、R3、R4和 R5,分別是二個反饋電阻和三個參考電阻。壓力變送器信號處理芯片采用實施例二中的壓力變送器信號處理芯片。

          具體的,所述差壓電容傳感器的高壓測量膜片引腳CH與壓力變送器信號處理芯片的傳感器輸入引腳INO連接,壓力變送器信號處理芯片的反饋信號輸入引腳FB0通過第一反饋電阻RI E高壓測量膜片引腳CHi接。差壓電容傳感器的低壓測量膜片引腳CL =壓力變送器信號處理芯片的傳感器輸入引腳INO連接,壓力變送器信號處理芯片的反饋信號輸入引腳FBIi過第二反饋電阻R2與所述低壓測量膜片引腳 CLi接。

          壓力變送器信號處理芯片的參考電壓引腳vRi過第三參考電阻R5與電源vcC i接,參考電壓引腳VR還通過第一參考電阻R3接地。壓力變送器信號處理芯片的信號輸出引腳oUT 過第二參考電阻R4與所述參考電壓引腳VRi接。

          該壓力變送器配合差壓電容傳感器使用,所以所述變送器芯片的傳感器輸入通道選擇引腳SWCO 輔助傳感器輸入通道選擇引腳SwCI 處于懸空狀態。

          工作時,壓力作用于差壓電容傳感器上,差壓電容傳感器因自身特點輸出高壓電容變化信號和低壓電容變化信號。所述高壓電容變化信號傳輸到所述傳感器輸入端FB0,所述低壓電容變化信號傳輸到傳感器輸入端FBl;所述壓力變送器信號處理芯片在外圍電路的配合下,分別將高壓電容變化信號和低壓電容變化信號轉化成兩個振蕩信號,由所述壓力變送器信號處理芯片內部對兩個信號的處理并轉化,zui終輸出一個方波信號,所述方波信號的頻率與差壓電容傳感器輸出信號相關。

          本發明的壓力變送器信號處理芯片及應用其的電容式差壓壓力變送器結構簡單,易于制造,能夠將壓力變化轉化為電容變化再轉化為頻率變化,使壓力變送器輸出的信號能夠更好地被計算機兼容,對于打破國外企業在本領域設下的技術壁壘有突出的貢獻。


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