【導(dǎo)讀】電容傳感器廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如液位監(jiān)測(cè)、壓力測(cè)量、位置檢測(cè)、流量計(jì)、濕度檢測(cè)等。ΣΔ (Sigma-Delta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)用方波激勵(lì)未知電容，并將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成單比特?cái)?shù)字輸出碼流。然后，由數(shù)字濾波器處理比特流，輸出精確的低噪聲電容測(cè)量值。
評(píng)估和設(shè)計(jì)支持
● 電路評(píng)估板
○ CN-0552電路評(píng)估板(EVAL-CN0552-PMDZ)
○ ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開發(fā)板(EVAL-ADICUP3029)
● 設(shè)計(jì)和集成文件
● 原理圖、布局文件、物料清單、裝配圖、軟件
電路功能與優(yōu)勢(shì)
電容傳感器廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如液位監(jiān)測(cè)、壓力測(cè)量、位置檢測(cè)、流量計(jì)、濕度檢測(cè)等。ΣΔ (Sigma-Delta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)用方波激勵(lì)未知電容，并將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成單比特?cái)?shù)字輸出碼流。然后，由數(shù)字濾波器處理比特流，輸出精確的低噪聲電容測(cè)量值。
圖1所示的電路來自24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，默認(rèn)情況下，CDC的滿量程輸入范圍是±4.096 pF，最大體電容是17pF，但是能夠?qū)M量程輸入范圍擴(kuò)展到±50 pF，并且將最大體電容擴(kuò)展到200pF。輸出數(shù)據(jù)速率可以從9.1 sps調(diào)節(jié)到90.9 sps，在16.1 sps設(shè)置速率下提供對(duì)50Hz和60Hz電力線噪聲的高度抑制。CDC還提供分辨率為0.1°C、精度為±2°C的溫度測(cè)量，以執(zhí)行溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)校準(zhǔn)。
CN0552兼容I2C Pmod平臺(tái)板，具有2.7 V至5.5 V I/O電壓。
圖1.CN0552功能框圖
ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計(jì)構(gòu)建。每個(gè)電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。然而，您需負(fù)責(zé)自行測(cè)試電路，并確定對(duì)您是否適用。因而，ADI公司將不對(duì)由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。（下接最后一頁）
電路描述
電容數(shù)字轉(zhuǎn)換
圖1所示的電路的核心為AD7746，是一款24位Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，具有I2C串行通信接口，提供高分辨率（24位無失碼，最高21位有效分辨率）、高線性度(±0.01 %)和高精度（±4 fF工廠校準(zhǔn)）電容測(cè)量。它包含一個(gè)二階調(diào)制器和一個(gè)三階數(shù)字濾波器。將一個(gè)方波激勵(lì)信號(hào)施加到CXn的一端，調(diào)制器連續(xù)地對(duì)通過相應(yīng)CINn引腳的電荷進(jìn)行采樣。調(diào)制器輸出經(jīng)過數(shù)字濾波器處理、按比例縮放，并應(yīng)用工廠校準(zhǔn)系數(shù)，最終結(jié)果通過串行接口讀出。
AD7746電容輸入范圍為±4.096 pF（改變）。它可以接受最高17 pF共模電容（不會(huì)改變），可以由可編程的片上數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)進(jìn)行平衡，可以使用AD8515擴(kuò)展至±50 pF輸入范圍（改變），AD8515是一款軌到軌運(yùn)算放大器，作為增益緩沖器給傳感器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
如圖2所示，AD7746有兩個(gè)電容輸入通道（每個(gè)可配置為單端或差分通道），以及板載溫度傳感器和輔助電壓輸入通道。AD7746針對(duì)浮地容性傳感器而設(shè)計(jì)。因此，兩個(gè)CX極板必須與地隔離。
圖2.AD7746功能框圖
兩個(gè)激勵(lì)引腳EXCA和EXCB都可以獨(dú)立編程。它們的功能相同，所以可以使用任意一個(gè)來實(shí)現(xiàn)電容傳感器激勵(lì)，但是，建議使用單獨(dú)的激勵(lì)引腳來測(cè)量每個(gè)電容通道。
CAPDAC操作
AD7746包含兩個(gè)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器，或者CAPDAC，如圖3所示。CAPDAC可以理解為在內(nèi)部連接到CIN引腳的負(fù)電容。
可用于改變輸入范圍和補(bǔ)償傳感器元件的大電容。CAPDAC具有7位分辨率，滿幅輸出為21pF ± 20%。例如，假設(shè)傳感器具有17pF大電容。可以按如下公式計(jì)算所需的CAPDAC設(shè)置：
有兩個(gè)獨(dú)立的CAPDAC。一個(gè)連接到CIN(+)引腳，第二個(gè)連接到CIN(-)引腳，但兩個(gè)電容通道共用同一個(gè)CAPDAC。電容輸入和輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如公式1所示：
圖3.AD7746 CAPDAC
電容輸入范圍
典型的電容測(cè)量設(shè)置要求在AD7746的CIN和EXC引腳之間連接容性材料。默認(rèn)情況下，標(biāo)稱輸入范圍為±4.096 pF，根據(jù)CAPDAC的設(shè)置值，中間值可能會(huì)變化。有兩種測(cè)量模式可用：?jiǎn)味四Ｊ交虿罘帜Ｊ?。是使用單端模式，還是使用差分模式作為輸入轉(zhuǎn)換模式，取決于要測(cè)量的電容類型。例如，可以將采用塑料封裝的浮地濕度傳感器視為單端電容，因?yàn)樗哂蟹浅５偷淖噪娙?，所以AD7746將其視為共模組件。相反，采用接地不銹鋼封裝的電容壓力傳感器的共模電容可能高于差分電容。由于該差分電容可以代表傳感器輸出，所以在轉(zhuǎn)換期間，必須至少消除部分該共模電容。
單端電容輸入
在單端轉(zhuǎn)換模式下，必須從內(nèi)部斷開AD7746的CIN(-)引腳的連接，這種斷開是通過寫入CAP_SETUP_REGISTER，并將CAPDIFF位設(shè)置為等于0來實(shí)現(xiàn)的。圖4顯示單端轉(zhuǎn)換配置的基本連接圖。
電路描述
圖4.AD7746單端輸入模式
在此配置下，CDC可以測(cè)量±4 pF范圍內(nèi)的輸入電容。表1顯示如何使用CAPDAC來改變大電容輸入范圍(CX1)，以在該值下實(shí)現(xiàn)整個(gè)± 4pF測(cè)量范圍。
表1.采用CAPDAC值時(shí)的AD7746單端電容輸入范圍
差分電容輸入
使用差分轉(zhuǎn)換模式時(shí)，AD7746測(cè)量CIN(+)和CIN(-)電容輸入之間的差值。這是通過寫入CAP_SETUP_REGISTER并將CAPDIFF位設(shè)置為等于1來配置的。圖5顯示差分轉(zhuǎn)換的基本連接圖。
圖5.AD7746差分輸入模式
在不使用CAPDAC的情況下，EXC和CIN引腳之間的兩個(gè)輸入電容CX和CY必須小于4 pF，或必須小于21 pF并由CAPDAC進(jìn)行平衡。通過CAPDAC進(jìn)行平衡意味著CX–CAPDAC(+)和CY–CAPDAC(–)都小于4 pF。如果EXC和CIN引腳之間的不平衡電容大于4 pF，則CDC會(huì)引入增益誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差。只要CX–CAPDAC(+)和CY–CAPDAC(–)始終低于4 pF，那么可以使用幾種輸入范圍組合。表2顯示其中幾個(gè)范圍。
表2.采用CAPDAC值時(shí)的AD7746差分電容輸入范圍
擴(kuò)展輸入范圍電路
圖6顯示擴(kuò)展AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電容輸入范圍所需的電路。擴(kuò)展后的范圍設(shè)置測(cè)量AD7746 CIN引腳和AD8515輸出之間的電容值。AD8515運(yùn)算放大器在電路中也作為一個(gè)低阻抗源，確保在AD7746開始采樣時(shí)，傳感電容完全充電。
圖6.輸入范圍擴(kuò)展電路
AD7746 CDC使用開關(guān)電容技術(shù)構(gòu)建一個(gè)電荷平衡電路以測(cè)量電容，使用公式2所示的電荷、電容和電壓表示方法。
其中：Q為電荷，V是電壓，C為電容。因此，轉(zhuǎn)換結(jié)果表示輸入電容與內(nèi)部基準(zhǔn)電容之間的比值。激勵(lì)電壓和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓都是已知的固定值。
輸入范圍擴(kuò)展電路確保輸入電容內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移始終在AD7746的輸入范圍內(nèi)。要實(shí)現(xiàn)這種輸入范圍擴(kuò)展，激勵(lì)電壓需要按比例減小，以便與輸入端相連的輸入電容能按該比例增大。AD7746有兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)電壓源EXCA和EXCB，為了擴(kuò)展輸入范圍，在設(shè)置激勵(lì)源時(shí)，必須使EXCB與EXCA反相。圖6所示的電阻（R1和R2）用于計(jì)算得出的范圍擴(kuò)展因數(shù)（使用公式3）。
電路描述
其中：
F表示范圍擴(kuò)展因數(shù)
VEXC(A?B)表示激勵(lì)源之間的電壓
VEXCS表示衰減電壓（約為VDD/2）
R1和R2表示電阻值
范圍擴(kuò)展因數(shù)計(jì)算
要計(jì)算擴(kuò)展因數(shù)，用戶首先必須確定哪些傳感器參數(shù)是幫助實(shí)現(xiàn)所需的范圍擴(kuò)展的主要因素：大電容或動(dòng)態(tài)范圍。假設(shè)一個(gè)典型的相對(duì)濕度傳感器，其大電容為150 pF ±50 pF，坡度為0.25 pF/% RH。傳感器的大電容可能高達(dá)200 pF，因此所需的范圍擴(kuò)展因數(shù)為：
其中：
FFIX表示范圍擴(kuò)展因數(shù)
200 pF是傳感器的最大體電容
17 pF是CAPDAC可接受的最大電容（在正常范圍設(shè)置中）
可以使用以下公式，利用傳感器坡度(pF / %RH)和滿量程輸入范圍計(jì)算傳感器(CDYN)的動(dòng)態(tài)范圍：
該動(dòng)態(tài)范圍(FDYN)所需的范圍擴(kuò)展因數(shù)計(jì)算如下：
所以，該傳感器的大電容確定了范圍擴(kuò)展因數(shù)，應(yīng)設(shè)置為11.76。
R1和R2電阻值選擇
選擇R1值為100 kΩ。在以下公式中，計(jì)算R2的電阻值，并將其向下舍入為標(biāo)準(zhǔn)E96系列電阻中的下一值，這個(gè)公式是對(duì)公式3重新排列，以求解R2的值。注意，任一電阻（R1或R2）值的小幅變化都可導(dǎo)致范圍擴(kuò)展因數(shù)的大幅變化。
因此，
電阻值（R1為100 kΩ，R2為118 kΩ）被用于使用公式3來計(jì)算具體的范圍擴(kuò)展因數(shù)：
因此，可以使用公式5計(jì)算動(dòng)態(tài)電容輸入范圍：
，或約為±50 pF。
所需的CAPDAC設(shè)置
AD7746包含CAPDAC，可用于補(bǔ)償傳感器元件的大電容。對(duì)于AD7746，CAPDAC的滿量程最小值為17 pF，典型值為21 pF。因此，對(duì)于給定的CAPDAC設(shè)置，電容可能會(huì)因器件不同而有很大差別。其原因在于，AD7746片內(nèi)電容可能會(huì)隨各批次所采用的生產(chǎn)工藝不同而有所變化。不過，片內(nèi)電容之間的比率變化非常小。
AD7746電容輸入經(jīng)過出廠校準(zhǔn)，增益校準(zhǔn)(GAIN_CAL)存儲(chǔ)在電容增益校準(zhǔn)寄存器(0xF)中。存儲(chǔ)在電容增益校準(zhǔn)寄存器中的校準(zhǔn)因數(shù)可以通過公式6計(jì)算得出：
其中：
FGAIN_CAL表示增益校準(zhǔn)因數(shù)
GAIN_CAL表示數(shù)字碼值，存儲(chǔ)在電容增益校準(zhǔn)寄存器(0xF)中
考慮采用出廠編程值0x69（十六進(jìn)制）或105（十進(jìn)制）的特定器件。增益校準(zhǔn)因數(shù)為：
內(nèi)部基準(zhǔn)電容(CREF)可定義為AD7746的允許滿量程輸入電容與增益校準(zhǔn)因數(shù)(FGAIN_CAL)的乘積，CREF的值可使用公式7計(jì)算得出：
設(shè)計(jì)AD7746時(shí)，保證滿量程CAPDAC電容(CCAPDAC)與內(nèi)部基準(zhǔn)電容之間的比值為3.2。所以，CAPDAC的滿量程可以使用公式8計(jì)算得出：
電路描述
在本例中，CCAPDAC為：
1LSB的電容可以使用公式9計(jì)算得出：
在本例中，CLSB_CAPDAC為：
范圍擴(kuò)展電路確保檢測(cè)電容內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移始終在AD7746的輸入范圍內(nèi)。當(dāng)CAPDAC從CIN1±或CIN2±輸入端的檢測(cè)電容中獲取電荷時(shí)，被檢測(cè)的電容下降。這個(gè)被檢測(cè)電容(CDAC_EFF)用于補(bǔ)償傳感器的大電容。CAPDAC電容的1個(gè)LSB表示對(duì)檢測(cè)電容的補(bǔ)償，使用公式10進(jìn)行計(jì)算：
在本例中，CDAC_EFF為：
所需的CAPDAC設(shè)置可以使用公式11計(jì)算得出：
其中：
DAC_SET表示7位數(shù)字碼DAC值
CSENSOR表示需要范圍擴(kuò)展的基本電容。
CSENSOR表示中等范圍，具有±動(dòng)態(tài)范圍的幅值
得出的輸入電容范圍為CSENSOR ±動(dòng)態(tài)范圍。
其中0x26是一個(gè)7位DAC值(0010 0110)
第8位是DACAENA位，需要使能，設(shè)置為1，以將CAPDACA連接到電容輸入。產(chǎn)生的字節(jié)是1010 0110，這相當(dāng)于0xA6十六進(jìn)制值，該值可以寫入到CAPDAC A寄存器(0xB)中，以得出47 pF中等范圍值。
所以，新擴(kuò)展輸入范圍為(47 pF ± 50 pF) ≈ -3 pF至97pF。
系統(tǒng)性能
圖7顯示在11ms轉(zhuǎn)換時(shí)間(91sps)模式下，沒有外部電容連接到模擬輸入（CIN和EXC引腳）的CN0552 CDC的典型噪聲直方圖。根據(jù)10個(gè)不同的給定數(shù)據(jù)集，得出所需的平均RMS噪聲值為85.4 aF。
圖7.AD7746噪聲，11ms轉(zhuǎn)換時(shí)間模式
常見變化
EVAL-CN0552-PMDZ使用雙輸入通道CDC AD7746。如果只需單個(gè)輸入通道，可使用AD7745。兩款芯片均針對(duì)浮地電容傳感器而設(shè)計(jì)。
若需一塊極板接地的電容傳感器，推薦使用AD7747 。
電路評(píng)估與測(cè)試
開始使用
本節(jié)介紹使用CN-0552測(cè)試和測(cè)量電容材料的設(shè)置和步驟。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱CN-0552用戶指南。
圖8.EVAL-CN0552-PMDZ頂視圖
設(shè)備要求
● EVAL-CN0552-PMDZ參考設(shè)計(jì)板
● EVAL-ADICUP3029開發(fā)板
● The ADuCM3029_demo_cn0552.hex文件
● 兩個(gè)2-pF電容
● 一根micro-USB至USB-A電纜
● 帶USB/端口的PC/筆記本電腦
● PC/筆記本電腦中安裝的IIO示波器應(yīng)用程序
功能框圖
圖9所示為CN-0552測(cè)試設(shè)置的功能框圖。
圖9.測(cè)試設(shè)置功能框圖
設(shè)置和測(cè)試
要測(cè)試該板，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：
1.將EVAL-CN0552-PMDZ連接至EVAL-ADICUP3029的母端子板(P9)。參見圖10。
圖10.EVAL-CN0552-PMDZ連接至EVAL-ADICUP3029
2. 將USB-A型連接器插入PC，將micro-USB連接器插入EVAL-ADICUP3029。
3. 將aducm3029_demo_cn0552.hex固件刷到EVAL-ADICUP309上。
4. 將兩個(gè)2pF電容連接到第一個(gè)電容的EXCA和CIN(+)引腳，連接到第二個(gè)電容的EXCB和CIN(-)引腳。
5. 按下EVAL-ADICUP3029的復(fù)位按鈕。
6. 打開IIO示波器應(yīng)用。根據(jù)器件設(shè)置序列號(hào)。按刷新按鈕，在顯示“ad7746”后，按連接。參見圖11
圖11.IIO示波器連接面板
7. 在DMM選項(xiàng)卡上，在器件模塊下選擇“ad7746”，然后按“所有通道”按鈕，顯示所有部件屬性，然后按播放按鈕，如圖12所示。
電路評(píng)估與測(cè)試
圖12.IIO示波器DMM選項(xiàng)卡
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì)在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo(hù)電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì)損壞。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
（上接第一頁）Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用，并且其知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸ADI公司或其授權(quán)方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用參考電路，但是并未默認(rèn)授予其它許可，或是通過此參考電路的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其它知識(shí)產(chǎn)權(quán)。ADI公司確信其所提供的信息是準(zhǔn)確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI公司無需為參考電路的使用承擔(dān)任何責(zé)任，也不對(duì)那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負(fù)責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時(shí)修改任何參考電路，恕不另行通知。
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