脉冲宽度调制电路（电容传感器）

脉冲宽度调制电路（电容传感器）

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）电路是一种利用数字脉冲的宽度调制来测量差动电容变化的测量电路。该电路通过差动电容充放电时间常数的差异产生脉冲宽度变化，经低通滤波器后输出直流电压，实现电容变化到电压的线性转换。

工作原理

PWM电路的核心是利用差动电容 $C_1$ 和 $C_2$ 的充放电时间常数差异。当 $C_1>C_2$ 时，$C_1$ 的充电时间 $T_1$ 大于 $C_2$ 的充电时间 $T_2$，产生不对称的矩形波。该矩形波经低通滤波器后，其直流分量（平均电压）即为输出电压。

输出电压公式

在 $R_1=R_2$ 且 $u_{Am}=u_{Bm}=u_m$ 的条件下，输出电压为：

线性化特性

PWM电路与差动电容传感器结合，可实现输出电压与被测物理量之间的线性关系：

• 变极距型：$u_o=\pm \frac{\Delta d}{d_0}{u}_m$，输出电压与极板间距变化 $\Delta d$ 成线性关系。
• 变面积型：$u_o=\pm \frac{\Delta A}{A_0}{u}_m$，输出电压与极板面积变化 $\Delta A$ 成线性关系。

这一特性有效解决了变极距型电容传感器在传统测量电路中存在的非线性问题。

优势

• 线性输出特性，简化了信号处理
• 适用于差动结构的电容式传感器
• 电路结构相对简单，易于实现
• 输出信号为数字脉冲，便于与数字系统接口

相关概念

• 差动电容传感器：PWM电路通常与差动电容传感器配合使用
• 变极距型电容传感器：PWM电路可解决其非线性问题
• 变面积型电容传感器：PWM电路可实现线性输出
• 调频电路（电容传感器）：另一种电容传感器测量电路
• 运算放大器测量电路（电容传感器）：另一种实现线性化的电路方案