使用“标签外”的 CMOS 触发器实现精密电容传感器

应用于药品时，术语“标签外”表示一种药物的（经常发现的）实际和有益用途不同于其初开发的用途。这种情况也发生在电子元件上，例如古老的 CD4013B 双 D CMOS 触发器。尽管 4013 被标记为传统的双稳态逻辑元件，但它作为模拟部件仍然具有极好的标签外潜力。 

例如，这里展示了它作为电容比较器的工作原理，如图 1所示。

图 1 CD4013B 用作电容式湿度传感器的电路图。

#2 触发器的 Q 输出（引脚 12 和 13）和 S/R 输入（8 和 10）通过相关的 R、C 和二极管网络交叉连接，将其变成一个约 100kHz 的 RC 振荡器。正振荡半周期（引脚 13 高电平）的持续时间 (T+) 由 R2C2 控制，而 R1t（微调器的上半部分）和 Cx（湿度传感器电容）控制负振荡的持续时间 (T-)（引脚13 低）半周期。 

增加湿度会增加 Cx，从而增加 R1tCx 和 T-，反之亦然。同时，当 R1t 将 T 脉冲耦合到 Cx 和 S#2 引脚 8 上的时序斜坡时，微调器 (R1b) 的下半部分将其耦合到 Cref 和 S#1 引脚 6 上非常相似的斜坡。  

时间常数 R1tCx与R1bCref之间的相对差异构成了电容测量的基础。如果 R1tCx < R1bCref，表明湿度低于 R1 上的设定值，则引脚 8 上的斜坡将超过 0/1 阈值并在引脚 6 上的斜坡之前结束 T-。这将允许 FF#1 在 T- 结束时由引脚 13 上的上升沿计时时复位，断言 Cref > Cx。

相反，如果 R1tCx > R1bCref，则引脚 6 将首先越过阈值，保持 FF#1 置位并断言 Cx > Cref。

由于两个触发器位于同一芯片中，因此尽管温度和电源电压发生变化，它们各自的 S 输入阈值仍将密切跟踪彼此，从而提高开关点精度和稳定性。 

同一电路在许多其他电容感应应用中同样适用，例如非接触式位置传感器/运动限位开关（图 2）。

图 2使用 CD4013B 的运动限制/位置感应接近开关。

检测和控制储液器中的液位是另一个合适的应用，因为 Cx 会增加，因为液位上升会增加液体与绝缘探头之间的电容。

图 3使用 CD4013B 的液位传感器。