可擴展ΣΔ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的范圍擴展因數(shù)計算

電容傳感器廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如液位監(jiān)測、壓力測量、位置檢測、流量計、濕度檢測等。ΣΔ(Sigma-Delta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)用方波激勵未知電容，并將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成單位數(shù)字輸出流。然后，由數(shù)字濾波器處理位流，輸出精確的低噪聲電容測量值。

評估和設(shè)計支持

• 電路評估板
  • CN-0552電路評估板(EVAL-CN0552-PMDZ)
  • ADuCM3029超低功耗Cortex-M3Arduino尺寸開發(fā)板(EVAL-ADICUP3029)
• 設(shè)計和集成文件
• 原理圖、布局文件、物料清單、裝配圖、軟件

電路功能與優(yōu)勢

電容傳感器廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如液位監(jiān)測、壓力測量、位置檢測、流量計、濕度檢測等。ΣΔ(Sigma-Delta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)用方波激勵未知電容，并將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換成單位數(shù)字輸出流。然后，由數(shù)字濾波器處理位流，輸出精確的低噪聲電容測量值。圖1所示的電路來自24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，在17 pF最大體電容下，默認滿量程輸入范圍為±4.096 pF，但在最大體電容為200 pF時，可以擴展到±50 pF。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的溫度測量，以執(zhí)行溫度補償和系統(tǒng)校準(zhǔn)。CN0552兼容I2C Pmod平臺板，具有2.7 V至5.5 V I/O電壓。

圖1.CN0552功能框圖

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)）電容測量。它使用二階調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器。將一個方波激勵信號施加到CXn的一端，調(diào)制器連續(xù)地對通過相應(yīng)CINn引腳的電荷進行采樣。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（不會改變），可以由可編程的片上數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)進行平衡，可以使用AD8515擴展至±50 pF輸入范圍（改變），AD8515是一款軌到軌運算放大器，作為增益緩沖器給傳感器提供驅(qū)動信號。如圖2所示，AD7746有兩個電容輸入通道（每個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針對浮動式容性傳感器而設(shè)計。所以，兩個CX板都必須接地隔離。

圖2.AD7746功能框圖兩個激勵引腳EXCA和EXCB都可以獨立編程。它們的功能相同，所以可以使用任意一個來實現(xiàn)電容傳感器激勵，但是，建議使用單獨的激勵引腳來測量每個電容通道。

·CAPDAC操作

AD7746包含兩個電容數(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引腳的負電容?？捎糜诟淖冚斎敕秶脱a償傳感器元件的大電容。CAPDAC具有7位分辨率，滿量程值為21pF ± 20%。例如，假設(shè)傳感器具有17pF大電容。可以按如下公式計算所需的CAPDAC設(shè)置：

有兩個獨立的CAPDAC。一個連接到CIN(+)引腳，第二個連接到CIN(-)引腳，但兩個電容通道共用同一個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.AD7746CAPDAC

·電容輸入范圍

典型的電容測量設(shè)置要求在AD7746的CIN和EXC引腳之間連接容性材料。默認情況下，標(biāo)稱輸入范圍為±4.096 pF，根據(jù)CAPDAC的設(shè)置值，中間值可能會變化。有兩種測量模式可用：單端模式或差分模式。是使用單端模式，還是使用差分模式作為輸入轉(zhuǎn)換模式，取決于要測量的電容類型。例如，可以將采用塑料封裝的浮動濕度傳感器視為單端電容，因為它具有非常低的自電容，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，必須至少部分取消該共模電容。

·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)，以在該值下實現(xiàn)整個± 4pF測量范圍。

表1.采用CAPDAC值時的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，AD7746測量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引腳之間的兩個輸入電容CX和CY必須小于4 pF，或必須小于21 pF并由CAPDAC進行平衡。通過CAPDAC進行平衡意味著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顯示其中幾個范圍。

表2.采用CAPDAC值時的AD7746差分電容輸入范圍

·擴展輸入范圍電路

圖6顯示擴展AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電容輸入范圍所需的電路。擴展后的范圍設(shè)置測量AD7746 CIN引腳和AD8515輸出之間的電容值。AD8515運算放大器在電路中也作為一個低阻抗源，確保在AD7746開始采樣時，傳感電容完全充電。

圖6.輸入范圍擴展電路

AD7746 CDC使用開關(guān)電容技術(shù)測量電容，以構(gòu)建一個電荷平衡電路，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。激勵電壓和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓都是已知的固定值。輸入范圍擴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)。要實現(xiàn)這種輸入范圍擴展，激勵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有兩個獨立的激勵電壓源EXCA和EXCB，為了擴展輸入范圍，在設(shè)置激勵源時，必須使EXCB與EXCA反相。圖6所示的電阻（R1和R2）用于計算得出的范圍擴展因數(shù)（使用公式3）。

電路描述

其中：F表示范圍擴展因數(shù)VEXC(A?B)表示激勵源之間的電壓VEXCS表示衰減電壓（約為VDD/2）R1和R2表示電阻值

·范圍擴展因數(shù)計算

要計算擴展因數(shù)，用戶首先必須確定哪些傳感器參數(shù)是幫助實現(xiàn)所需的范圍擴展的主要因素：大電容或動態(tài)范圍。假設(shè)一個典型的相對濕度傳感器，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200 pF，因此所需的范圍擴展因數(shù)為：

其中：FFIX表示范圍擴展因數(shù)200pF是傳感器的最大體電容17pF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算傳感器(CDYN)的動態(tài)范圍：

所以，該傳感器的大電容確定了范圍擴展因數(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，這個公式是對公式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)致范圍擴展因數(shù)的大幅變化。

，或約為±50 pF。

所需的CAPDAC設(shè)置

AD7746包含CAPDAC，可用于補償傳感器元件的大電容。對于AD7746，CAPDAC的滿量程最小值為17 pF，典型值為21 pF。因此，對于給定的CAPDAC設(shè)置，電容可能會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)存儲在電容增益校準(zhǔn)寄存器(0xF)中。存儲在電容增益校準(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（十六進制）或105（十進制）的特定器件。增益校準(zhǔn)因數(shù)為：

內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源電容(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計算得出：

設(shè)計AD7746時，保證滿量程CAPDAC電容(CCAPDAC)與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源電容之間的比值為3.2。所以，CAPDAC的滿量程可以使用公式8計算得出：

電路描述

范圍擴展電路確保檢測電容內(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±輸入端的檢測電容中獲取電荷時，被檢測的電容下降。這個被檢測電容(CDAC_EFF)用于補償傳感器的大電容。CAPDAC電容的1個LSB表示對檢測電容的補償，使用公式10進行計算：

其中：DAC_SET表示7位數(shù)字碼DAC值CSENSOR表示需要范圍擴展的基本電容。CSENSOR表示中等范圍，具有±動態(tài)范圍的幅值得出的輸入電容范圍為CSENSOR±動態(tài)范圍。

其中0x26是一個7位DAC值(00100110)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10100110，這相當(dāng)于0xA6十六進制值，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。如果只需單個輸入通道，可使用AD7745。兩款芯片均針對浮地電容傳感器而設(shè)計。若需一塊極板接地的電容傳感器，推薦使用AD7747。

電路評估與測試

·開始使用

本節(jié)介紹使用CN-0552測試和測量電容材料的設(shè)置和步驟。有關(guān)更多信息，請參閱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)計板
• EVAL-ADICUP3029開發(fā)板
• TheADuCM3029_demo_cn0552.hex文件
• 兩個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測試設(shè)置的功能框圖。

圖9.測試設(shè)置功能框圖

·設(shè)置和測試

要測試該板，請執(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

1. 將USB-A型連接器插入PC，將micro-USB連接器插入EVAL-ADICUP3029。
2. 將aducm3029_demo_cn0552.hex固件刷到EVAL-ADICUP309上。
3. 將兩個2pF電容連接到第一個電容的EXCA和CIN(+)引腳，連接到第二個電容的EXCB和CIN(-)引腳。
4. 按下EVAL-ADICUP3029的復(fù)位按鈕。
5. 打開IIO示波器應(yīng)用。根據(jù)器件設(shè)置序列號。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

1. 在DMM選項卡上，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。

電路評估與測試

圖12.IIO示波器DMM選項卡

·ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/保護電路/" target="_blank">保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。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。ADI公司的CircuitsfromtheLab?電路由ADI工程師設(shè)計構(gòu)建。每個電路的設(shè)計和構(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驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和檢驗。然而，您需負責(zé)自行測試電路，并確定對您是否適用。因而，ADI公司將不對由任何原因、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責(zé)。CircuitsfromtheLab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(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)計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，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，CircuitsfromtheLab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)負責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。

作者：ADI公司參考原文：Capacitance to Digital Converter with Extended Range