掃平儀是一種提供平面或直線基準的儀器[1]。新型的自動安平激光掃平儀，利用半導體激光器發出的激光束軌跡作為測量基準，具有小巧、廉價、操作簡單、適用面寬等特點。它與探測器配合，可以在一定的半徑范圍內控制任一測點的水平高度，能將測量與施工結合在一起，實現施工的自動化，在各種工民建施工場合中得到廣泛應用。但是，目前國內工程建筑中使用的自動安平激光掃平儀精度能達到10‘’以上的多為進口，成本過高。
電容式傳感器以其靈敏度高、動態響應塊、成本低等諸多性得到廣泛應用[2]。而檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一直以來很多人對此進行了大量研究。例如王莉田[3]等提出的差動線性電路，謝楠[4]等提出的利用集成芯片XE2004的電容電壓轉換電路。邱桂蘋[5]等對目前微小電容測量電路的測量方法進行了總結，分析了它們的優缺點，諸如基于充/放電原理、AC電橋原理、交流鎖相放大原理、電荷放大原理等各種電容測量電路。這些傳統的電容測量電路，或者方法簡單，達不到高的精度要求（分辨率都在fF量級），或者電路復雜，需要的器件數量多。ADI公司推出了世界上高精度、集成的電容數字轉換器（CDC），它在一顆芯片上集成了電容到數字轉換的所有電路，分辨率達到aF量級，大大降低了設計難度和外部元件成本，從而了傳統電容傳感器的限制。
本文設計的自動安平掃平儀選用電容式傾角傳感器進行水平監測。采用CDC 芯片AD7746作為傳感器信號調理電路，直接將傳感器信號轉換成數字量，以自帶I2C口線及PWM產生器單片機ADuC841作為為核心控制器件，以直流電機作為水平調節的執行機構。本儀器通過高集成電路模塊的使用，降低了儀器成本，并保證了高精度的要求，具有精度高、成本低的優勢。
2. 儀器功能框圖
本文設計的激光掃平儀功能框圖如圖1所示，該儀器以單片機為核心控制器件，以激光射線的形式給出標準水平面。在安置激光管的掃平臺上以一定角度交叉放置傾角傳感器X、Y，監測掃平面傾斜度，當掃平面水平時單片機控制進行激光旋轉掃描。而所謂的自動安平功能就是儀器底座發生傾斜時，單片機根據傳感器得到的數據控制直流電機X、Y運轉，調節掃平面傾斜度使其保持水平。當底座傾斜度超出儀器能夠調平的角度范圍時，儀器停止掃描，并發出聲音報警，提醒工作人員調整儀器放置位置。另外，儀器還具有變速掃描、變角度掃描、發射激光點等功能，這些功能通過鍵盤輸入進行控制。
3. 儀器功能實現
根據儀器功能的要求，本文設計的自動安平掃平儀在水平監測電路中高精度、集成的電容數字轉換器（CDC）AD7746作為傳感器信號調理電路，直接將傳感器信號轉換成數字量。所選的ADuC841單片機自身帶有I2C口線，直接與AD7746進行通訊，而且該單片機自帶PWM產生器，輸出兩路PWM可直接用來對直流電機進行調速。本儀器通過高集成電路模塊的使用，大大降低了成本，并保證了高精度的要求。
3.1 水平監測
電容式傳感器，常用于小尺寸和低功耗應用——例如壓力監測和位置檢測——實現高精密測量，它們具有的魯棒性、精確度和靈敏度。本系統使用玻璃電子水泡作為水平監測傳感器，它是根據差動電容原理進行水平度測量，其結構如圖2所示。在玻璃內徑部位研磨成一定曲率，先在一端燒熔封口，另一端拉成小嘴抽真空灌注介電液體和惰性氣體，當氣泡長度合格后燒封。玻璃管外殼由兩個半殼體組成，一個作為底座，另一個作為電路接地層。在兩個半殼體之間，兩邊等距地置有電容極板，電容極板上左右對稱的刻蝕出2個可變靜電板。這樣的結構可獲得2倍的電容變化效果。極板表面用聚四氟乙烯薄膜覆蓋，作為電介質液體與電容極板的電隔離，殼內有隔板作為兩個靜電容的隔離，防止串接。
傳感器保持水平時，2個靜電極板浸在液體的面積相同，當傳感器以重力方向為軸旋轉時一邊的靜電極板浸在液體的面積減少，另一邊的靜電極板浸在液體的面積增大。由于封入的介電液體的介電常數比氣體的高，因此，液面的流動造成電容發生變化，據此可測出傾斜角。該傳感器的輸出特性由電容極板的形狀決定。
傳統的電容傳感器信號處理解決方案要么就只限于低精度的應用，要么就需要昂貴的多芯片電容電壓前端。ADI公司推出的電容數字轉換器（CDC）是世界上高精度、集成的電容數字轉換器，其24 BIT的分辨率，是業界精密度連接電容傳感器解決方案。它在一顆芯片上集成了電容到數字轉換的所有電路，降低了設計難度和外部元件成本，從而了傳統電容傳感器的限制，比傳統的多芯片解決方案降低了65％的成本。
CDC是在成熟的∑-Δ技術基礎之上，對其進行改進，使得完整的電容數字轉換器可以在單芯片中實現。∑-Δ是一種成熟的技術，許多年來一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。標準Σ-△ ADC是通過切換片上固定的電容，并平衡可變電壓輸入和固定的電壓基準輸入之間電荷來實現的。如果電荷正比于電壓和電容，那如果使輸入電壓固定，而改變輸入電容呢？修改后的Σ-△電路如圖3所示，這便是CDC轉換電路的原理。該電路固定輸入電壓可以被理解成一個激勵電壓。移到片外的可變電容可以是一個電容式傳感器。這樣，輸出數據將代表該傳感器電容量和CREF之間的比率。
