高精度角度传感器的设计+文献综述(8)
其中电桥电路需要高稳定度的稳频稳幅的交流电路难以实现，且容易对测量造成干扰，而产生较大的误差；运算放大器式电路的最大特点是能克服单个变极距型电容式传感器特性的非线性关系，而不适用于差动式电容传感器的测量。因此，本文选择差动脉宽调制电路作为电容传感器的测量电路。
差动脉宽调制电路常用于差动电容式传感器，具有以下特点：不需附加相敏解调器，只需低通滤波器即能获得直流输出；输出信号一般为100kHz～1MHz的矩形波，所以直流输出只需经低通滤波器简单地引出，由于低通滤波器的作用，对输出矩形波的纯度要求不高；且只需一电压稳定度较高的直流电源，这比其他测量电路中需要高稳定度的稳频稳幅的交流电源易于实现[13]。
4.1.2 差动脉宽调制电路的原理
电路原理图如图4-1。
该电路由电压比较器A1、A2、双稳态触发器及电容充放电回路所组成；C1、C2为角度传感器的差动电容；A3为低通滤波器；双稳态触发器的两个输出端用作差动脉冲宽度调制电路的输出；Uf为比较电压。
设电源接通时，双稳态触发器的A端为高电位，B端为低电位，因此A点通过R1对C1充电，直至M点上的电位等于参考电压Uf时，比较器A1产生脉冲，触发双稳态触发器翻转，A点成低电位，B点成高电位。此时M点电位经二极管D1从Uf降至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电，当N点电位充电至Uf时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A点成高电位，B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。方波脉宽与C1、C2的关系如下：当C1=C2时，线路上各点电压波形如图4-2（a）所示，A、B两点间平均电压为零。但当C1、C2的值不相等时，如C1>C2，则C1、C2充放电时间常数发生改变，电压波形如图4-2（b）所示。A、B两点间的平均电压不再是零，输出直流电压USC等于A、B两点间的电压平均值UAP与UBP之差。已知：
式中： ——触发器输出高电平；
、 ——C1、C2充电时间
设充电电阻R1=R2=R，则可得到（4-6）
由上式（4-4）、（4-5）可知，差动电容的变化使充电时间不同，从而使双稳态触发器输出端的方波脉宽不同而使输出直流电压 不同。
将电容传感器所得的差动电容 、 ，即式（3-8）、（3-9）带入上式（4-6），可得 （4-7）
由上式（4-7）可以看出，输出电压随角度的增大而减小。经此差动脉宽调制电路，将电容-转角的线性关系转换为电压-转角的线性关系。使测量更加方便，输出更容易读出，并改善了非线性。
4.1.4 加法器的设计
由于所设计的传感器的测量范围为0°～180°，而本文所要求的测量范围为-90°～90°，所以需要在脉宽调制电路后加一个偏置，以90°位置为基准，所以在这里添一个加法器，施加一正的直流电压，用以调节零位。加法器原理图如图4-3。
此图为在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就够成了同相输入求和电路[14]。
由于虚断，所以反相输入端电位为：