CN0346 相對(duì)濕度測(cè)量系統(tǒng)

CN0346 AD7745片內(nèi)集成激勵(lì)源，該激勵(lì)源連接傳感器的發(fā)送器走線。還可使用容性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)近距離傳感器。基本近距離傳感器包括一個(gè)接收器和一個(gè)發(fā)射器，每個(gè)都是由PCB層上的金屬走線組成。接收器與發(fā)送器走線之間產(chǎn)生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)大部分集中在傳感器PCB的兩層之間。不過，邊緣電場(chǎng)從發(fā)射器擴(kuò)展到PCB之外，并終止回到接收器。通過片內(nèi)Σ-Δ型CDC在接收器處測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)人手進(jìn)入邊緣電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，一部分電場(chǎng)被分流到地而不是終止于接收器。電容值因而減小，并由轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到，與皮法量級(jí)的電場(chǎng)相比其變化量為飛法量級(jí)。 本電路使用 EVAL-SDP-CB1Z 演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板和EVAL-CN0346-PMDZ電路板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。 EVAL-CN0346-PMDZ包含待評(píng)估電路，如本電路筆記所述。EVAL-SDP-CB1Z與 CN-0346 評(píng)估軟件 一同使用，收集 EVAL-CN0346-PMDZ 的數(shù)據(jù)。SDP/PMD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z) 用來(lái)將 EVAL-CN0346-PMDZ 板與 EVAL-SDP-CB1Z 板相連，如圖3所示。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0346-PMDZ 評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z 評(píng)估板 SDP/PMD 轉(zhuǎn)接板 (SDP-PMD-IB1Z) CN-0346 評(píng)估軟件 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?(32位)或Windows? 7(32位)PC 容性濕度傳感器、Innovative Sensor Technology P14-W (EVAL-CN0346-PMDZ板上集成) 6 V、100 mA 電源 6 V 壁式電源適配器 一個(gè)濕度受控的樣品室 開始使用 將 CN-0346 評(píng)估軟件 光盤放入PC，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。 功能框圖 測(cè)試設(shè)置框圖參見圖3，電路原理圖參見EVAL-CN0346-SDPZ-SCH-RevX.pdf文件。此文件位于 CN-0346 設(shè)計(jì)支持包中。 設(shè)置 將EVAL-SDP-CB1Z上的120引腳連接器連接到SDP-PMD-IB1Z板上。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將EVAL-CN0346-PMDZ連接到SDP-PMD-IB1Z板上的連接器J2。 在斷電情況下，將一個(gè)6.0 V直流管式插孔連接到SDP-PMD-IB1Z板上的連接器J1。將EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。在斷電情況下，將6 V電源連接到EVAL-CN0346-PMDZ評(píng)估板上的連接器J5。此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。 將整個(gè)系統(tǒng)放入帶有濕度控制的密封樣品室內(nèi)。另外，如果有必要的話，還可在目標(biāo)環(huán)境中僅放置檢測(cè)元件。外部濕度計(jì)或其他經(jīng)過校準(zhǔn)的濕度傳感器可用作校準(zhǔn)或驗(yàn)證來(lái)自CN-0346評(píng)估軟件輸出數(shù)據(jù)的參照點(diǎn)。 測(cè)試 將電源施加到SDP-PMD-IB1Z板連接器J1的直流管式插孔上。將電源施加到EVAL-CN0346-PMDZ板的連接器J5上。啟動(dòng)CN-0346評(píng)估軟件，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。 一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z來(lái)發(fā)送、接收和捕捉來(lái)自EVAL-CN0346-PMDZ的串行數(shù)據(jù)。 有關(guān)EVAL-SDP-CB1Z的信息，請(qǐng)參閱 SDP 用戶指南。有關(guān)測(cè)試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 CN-0346 軟件用戶指南。 RH是空氣中水蒸氣的含量，以某一溫度下空氣中最大承受量的百分比表示。相對(duì)濕度是一個(gè)重要的指標(biāo)，因?yàn)樗鼘囟群蛪毫Φ男?yīng)納入考慮范圍。 濕度計(jì)是傳統(tǒng)的RH測(cè)量設(shè)備，多年來(lái)采用了多種形式，包括金屬紙卷、人的頭發(fā)以及雙溫度計(jì)部署。現(xiàn)代電子部署中采用容性元件，可抵抗老化效應(yīng)、冷凝和快速溫度波動(dòng)。 當(dāng)聚合物或金屬氧化層受不同量的水分影響時(shí)，容性傳感器的介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。大部分容性傳感器需要經(jīng)數(shù)秒才會(huì)對(duì)濕度變化做出響應(yīng)。 濕度傳感器特性 圖1中的電路使用Innovative Sensor Technology P14-W系列容性傳感器。傳感器的重要規(guī)格包括電容、靈敏度、溫度、線性度和遲滯。 傳感器的典型電容較大為150 pF ± 50 pF(30% RH時(shí))。該共模電容不影響相對(duì)濕度讀數(shù)，但需要特殊電路才能與電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)接口。 容性元件的靈敏度決定了相對(duì)濕度讀數(shù)。靈敏度是相對(duì)濕度改變1%時(shí)，電容的變化量；通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)特相對(duì)濕度點(diǎn)的電容，并除以RH百分比的變化即可計(jì)算得到靈敏度。 P14-W的典型靈敏度為0.25 pF/% RH。 若要計(jì)算特定相對(duì)濕度條件下的傳感器溫度依賴性，可使用下列公式和系數(shù)(數(shù)據(jù)來(lái)自Innovative Sensor Technology P14-W數(shù)據(jù)手冊(cè))： 其中： B1 = 0.0014/°C %RH = 42% B2 = 0.1325% RH/°C T = 23°C B3 = ?0.0317 B4 = ?3.0876% RH TDEPEND = ?0.0191% RH. 若溫度為23°C，則42% RH計(jì)算值將改變?0.0191% RH。將此數(shù)值加入% RH計(jì)算值可校正傳感器的溫度依賴性。 Innovative Sensor Technology P14-W系列的線性度和遲滯為±1.5% RH。 計(jì)算相對(duì)濕度 相對(duì)濕度可由電容C和溫度T算得，計(jì)算步驟如下： 從電容讀數(shù)中減去電容。 除以靈敏度。 在計(jì)算值中加入?yún)⒖紳穸取? 計(jì)算溫度依賴性TDEPEND。 在步驟3的結(jié)果中加入TDEPEND。 例如，假設(shè)容性傳感器讀數(shù)為C = 153 pF (T = 23°C)，若理想特性如下： 電容 = 150 pF (30% RH) TDEPEND = ?0.0191% RH 靈敏度 = 0.25 pF/% RH 參考點(diǎn) = 30% RH (23°C) 根據(jù)上文說明以及下文公式，計(jì)算相對(duì)濕度： 計(jì)算相對(duì)濕度測(cè)量的溫度依賴性方法與所選特定濕度傳感器有關(guān)；因此，必須始終參考數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)確定正確公式。 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC) 24位 AD7745 CDC使用開關(guān)電容充電平衡電路測(cè)量電容，如圖2所示。吞吐速率為10 Hz至90 Hz。 圖2.單端容性傳感器部署 ? 電荷與電壓和電容的乘積Q = V × C成正比，轉(zhuǎn)換結(jié)果表示輸入傳感器電容CSENS與內(nèi)部參考電容CREF之比。激勵(lì)電壓(EXC)和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(VREF)具有固定的已知值。 待測(cè)CSENS連接激勵(lì)源和Σ-Δ型調(diào)制器輸入。轉(zhuǎn)換期間在CSENS上施加32 kHz方波激勵(lì)信號(hào)，而調(diào)制器會(huì)對(duì)流過CSENS的電荷進(jìn)行連續(xù)采樣。數(shù)字濾波器處理調(diào)制器輸出，該輸出為0和1位流。轉(zhuǎn)換值包含在位流的1密度中。來(lái)自濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)節(jié)并經(jīng)過校準(zhǔn)，結(jié)果通過串行接口讀取。 輸入范圍調(diào)節(jié) AD7745測(cè)量輸入電容時(shí)有兩個(gè)限制。首先，其動(dòng)態(tài)范圍為±4.096 pF，但很多基于電容的濕度傳感器具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。其次，CDC的最大共模電容為21 pF。很多濕度傳感器具有更大的電容。 AD7745具有偏置輸入共模范圍的能力，方法是編程設(shè)置內(nèi)部7位電容DAC (CAPDAC)寄存器。CAPDAC用作負(fù)電容，通過內(nèi)部連接至CIN1±引腳。這允許高達(dá)21 pF典型值的共模電容。 加入圖1所示的范圍擴(kuò)展電路，確保在CSENS中傳輸?shù)碾姾杀３衷贏D7745的輸入范圍內(nèi)。為此，激勵(lì)電壓減小F倍，以使傳感器電容增加F倍。 計(jì)算范圍擴(kuò)展系數(shù) 若要計(jì)算范圍擴(kuò)展系數(shù)，必須編程設(shè)置AD7745的兩個(gè)獨(dú)立激勵(lì)源(EXCA和EXCB)，以使EXCB等于EXCA的倒數(shù)。電阻R1和R2的連接如圖1所示，由此獲得的范圍擴(kuò)展系數(shù)F等于AD7745差分激勵(lì)電壓(VEXCA/VEXCB，位于EXCA與EXCB之間)與運(yùn)算放大器AD8515正輸入端的衰減激勵(lì)信號(hào)(VEXCS)的比值。范圍擴(kuò)展系數(shù)計(jì)算如下： 衰減后的激勵(lì)電壓VEXCS的平均電壓為VDD/2。AD8515運(yùn)算放大器用作低阻抗緩沖器，確保AD7745開始采樣時(shí)，CSENS處于完全充電的狀態(tài)。 傳感器電容可能高達(dá)200 pF，且AD7745共模電容的最小值為17 pF，因此所需范圍擴(kuò)展系數(shù)(FCM)為： 傳感器動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算如下： 動(dòng)態(tài)范圍所需的范圍擴(kuò)展系數(shù)(FDYN)計(jì)算如下： 計(jì)算表明，決定范圍擴(kuò)展系數(shù)的參數(shù)是傳感器電容；因此，后續(xù)計(jì)算將使用F = 11.76。 選擇電阻值 選擇R1和R2值，部署所需的范圍擴(kuò)展系數(shù)。選擇R1值為100 kΩ。然后計(jì)算R2的電阻值，并將其向下舍入為標(biāo)準(zhǔn)E96系列中的下一值： 其中： R1 = 100 kΩ F = 11.76 R2 = 118.58 kΩ. 使用容差為1%或更低的電阻。任一電阻(R1或R2)值的小幅變化都可導(dǎo)致范圍擴(kuò)展系數(shù)的大幅變化。若R1電阻值為100 kΩ，R2電阻值為118 kΩ，則范圍擴(kuò)展系數(shù)為： 使用CAPDAC移除共模電容 AD7745容性輸入經(jīng)過出廠校準(zhǔn)，因此輸入范圍為0 pF至4.096 pF(單端模式)，以及±4.096 pF(差分模式)。AD7745集成內(nèi)部CAPDAC，允許調(diào)節(jié)輸入共模電容。 CAPDAC用作負(fù)電容，通過內(nèi)部連接至CIN1±引腳。有兩個(gè)獨(dú)立的CAPDAC，一個(gè)連接到CIN1(+)，另一個(gè)連接到CIN1(?)。 CAPDAC具有7位分辨率，滿量程值為21 pF ± 20%。 計(jì)算圖1示例中單端濕度檢測(cè)元件所需的CAPDAC設(shè)置時(shí)，可將針對(duì)下列十進(jìn)制代碼值對(duì)應(yīng)的17 pF共模電容設(shè)置CAPDAC： 測(cè)試設(shè)置 CN-0346系統(tǒng)未正確設(shè)置并校準(zhǔn)前，無(wú)法收集測(cè)試數(shù)據(jù)。首先，將EVAL-CN0346-PMDZ印刷電路板(PCB)放置在一個(gè)濕度受控的空間內(nèi)，并連接精密電感電容電阻(LCR)計(jì)量?jī)x(HP4284A)。LCR計(jì)量?jī)x將任何電容計(jì)算與傳感器的實(shí)際電容值關(guān)聯(lián)起來(lái)。兩組導(dǎo)線從每一個(gè)PCB的密閉容器中伸出去。第一組導(dǎo)線專用于I2C數(shù)字通信。第二組導(dǎo)線允許通過LCR計(jì)量?jī)x直接測(cè)量傳感器電容；只有在E VA L-CN0346-PMDZPCB未連接電源時(shí)才可執(zhí)行此測(cè)量。 圖3顯示用于基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置中數(shù)據(jù)采集的框圖。 圖3.基準(zhǔn)測(cè)試框圖? 其次，對(duì)于兩個(gè)特定的濕度水平(5% RH和95% RH)，使用AD7745測(cè)量外殼的溫度，并使用LCR計(jì)量?jī)x測(cè)量傳感器電容。使用這兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)計(jì)算傳感器的靈敏度。 將靈敏度輸入Calculations選項(xiàng)卡中的Relative Humidity Calculation 字段(圖4)。使用10% RH校準(zhǔn)點(diǎn)填充C_BULK字段和RH_REF(%)字段。 最后，計(jì)算所需CAPDAC共模值，并將其輸入CAPDAC字段，如圖5所示。 至此，CN-0346系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒并完成計(jì)算。Click to Sample可將傳感器電容值以C_CALC形式顯示在Capacitance Calculation窗口中。收集樣本時(shí)，改變濕度，觀察相對(duì)濕度計(jì)算的變化。 圖4.CN-0346評(píng)估軟件的 Calculations 選項(xiàng)卡屏幕截圖 ? 圖5.CN-0346評(píng)估軟件的Calibration選項(xiàng)卡屏幕截圖 ? 測(cè)試結(jié)果 所有測(cè)試數(shù)據(jù)均來(lái)自放入密閉容器的Boveda包(Boveda, Inc.)以及三個(gè)EVAL-CN0346-PMDZ PCB，如圖6所示。Boveda包內(nèi)含有經(jīng)特殊處理的純凈水和鹽溶液，設(shè)計(jì)用于控制密閉容器內(nèi)的濕度，使其保持±2.5%的特定預(yù)設(shè)相對(duì)濕度值。 圖6.數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置 ? 圖7顯示整個(gè)相對(duì)濕度范圍內(nèi)的相對(duì)濕度誤差。 圖7.相對(duì)濕度測(cè)量誤差 ? PCB布局考慮 在任何注重精度的電路中，應(yīng)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。本系統(tǒng)的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關(guān)布局和接地的信息，請(qǐng)參見 MT-031 指南；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)參見 MT-101 指南 。 所有IC的電源應(yīng)當(dāng)用1 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。對(duì)于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。 電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。將時(shí)鐘和其他快速開關(guān)數(shù)字信號(hào)連接至數(shù)字地，以便它們和電路板上的其他器件相屏蔽。PCB如圖8所示。 欲獲得有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)?jiān)L問 www.analog.com/CN0346-DesignSupport。 圖8. EVAL-CN0346-PMDZ PCB 照片 ? CN0346 相對(duì)濕度測(cè)量系統(tǒng) 圖1所示雙芯片電路是一款非接觸式、基于電容的相對(duì)濕度(RH)測(cè)量解決方案，該方案具有2%相對(duì)濕度精度(0% RH至100% RH)，并可替代體積龐大、基于濕度計(jì)的解決方案。該電路適合精度、溫度控制、非接觸式濕度測(cè)量至關(guān)重要的應(yīng)用，比如H VA C、電信機(jī)柜、嬰兒保溫箱以及其他工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用。 潮濕導(dǎo)致容性傳感器的介電常數(shù)隨周圍環(huán)境的相對(duì)濕度而改變。例如，本電路中使用的 Innovative Sensor Technology P14-W 容性傳感器由頂部電極、聚酰亞胺層和底部電極組成，靈敏度為0.25 pF/% RH，線性度為1.5% RH。 濕度傳感器輸出經(jīng)24位、Σ-Δ型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC) AD7745數(shù)字化處理。雙線式I2C兼容接口允許訪問內(nèi)部配置寄存器，同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 軌到軌放大器 AD8615 具有極低的失調(diào)電壓(65 μV)和寬信號(hào)帶寬(>20 MHz)性能，可用作單位增益緩沖器，并為傳感器提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)。 圖1.基于容性檢測(cè)的濕度測(cè)量系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接) ? CN0346 CN0346

• 完整的非接觸式相對(duì)濕度測(cè)量
• 小型PCB

(analog)