PCAP01 – 革新電容數字轉換器單芯片方案

　　1.前言

　　電容傳感器在很多工業(yè)和消費類(lèi)產(chǎn)品中都有非常廣泛的應用，因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特性，在很多領(lǐng)域廣受青睞。而對于電容傳感器的測量來(lái)說(shuō)，傳統的電路方式有其無(wú)法克服的局限性。復雜的模擬電路設計，難以擴展的電容測量范圍，都會(huì )給開(kāi)發(fā)帶來(lái)非常大的阻力。盡管存在一些所謂的簡(jiǎn)單易用的電容數字轉換器單芯片方案，但無(wú)論從價(jià)格，性能，和簡(jiǎn)單程度上，還是會(huì )有諸多限制。

　　德國acam公司專(zhuān)利的PICOCAP®測量原理則給電容測量提供了革命性的突破。在2011年推出了最新的帶有內部DSP單片機的單芯片電容測量方案PCAP01, 這個(gè)芯片會(huì )使電容測量提高到一個(gè)前所未有的水平。

　　2.概述

　　PCap01為帶有單片機處理單元的一款專(zhuān)門(mén)進(jìn)行電容測量的電容數字轉換單芯片方案。這顆芯片測量范圍覆蓋了從幾fF到幾百nF，而且可以非常簡(jiǎn)單的通過(guò)配置來(lái)滿(mǎn)足各種不同應用的需求。PCap01既適合超低功耗最低至幾個(gè)uA的測量，也適合高精度達到21位有效位的高性能測量，還可以進(jìn)行最高達50萬(wàn)次每秒鐘的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量,低功耗測量以及快速測量應用的的完美結合。傳感器數據可以在芯片內部進(jìn)行現行校準，然后通過(guò)SPI或者IIC數據串行接口進(jìn)行傳送。另外，芯片還可以通過(guò)IO口來(lái)發(fā)送 PWM/PDM 輸出電壓信號。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通IO口來(lái)應用。

　　PCap01 有非常小的QFN封裝尺寸，僅需要極少數量的外部元器件 (至少需要2個(gè)外部雙通電容) ，使整個(gè)系統的設計非常緊湊而且降低成本，適合很廣泛的電容測量。

　　3. PICOCAP 測量原理介紹

　　PICOCAP 測量原理展示了對于電容測量的新的革命性的方式。在這個(gè)原理中，一個(gè)傳感器的電容和一個(gè)參考電容被連接到同一個(gè)放電電阻，組成了一個(gè)Low-pass低通濾波。

　　電容首先被充電到電源電壓，然后通過(guò)電阻進(jìn)行放電。而放電到一個(gè)可控制闞值電壓的水平將會(huì )被芯片內部的非常高精度時(shí)間數字轉換器TDC所記錄下來(lái)。

　　這個(gè)測量過(guò)程將會(huì )在傳感器和參考電容上重復交錯進(jìn)行，應用同樣的電阻。計算的結果是測量的比值結果，是與電阻和比較器溫度相關(guān)性有關(guān)。傳感器和參考電容數值的選擇應該為統一范圍來(lái)降低增益偏移。實(shí)踐角度講，對于被測電容沒(méi)有大小的限制。傳感器幾乎可以從0fF到幾十nf。PICOCAP同時(shí)也支持差動(dòng)電容傳感器的測量帶有內部的線(xiàn)性補償。

　　4. PCAP01芯片主要特點(diǎn)

　　Pcap01芯片為一顆單芯片電容測量方案，猶如下一些特性：

• 　　一顆芯片可以適合多種應用，測量靈活性非常高:

　　a) 低測量功耗，在10Hz最低僅2 µA

　　b) 測量精度最高達 22 位有效位, 4 aF rms 精度

　　c) 測量頻率可以最高達500 kHz

• 　　非常寬的電容測量范圍, 從幾 fF 到上百nF
• 　　超低增益和offset漂移
• 　　18 位高分辨率溫度測量
• 　　48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM
• 　　內部或者外部時(shí)鐘振蕩
• 　　最多可以支持6個(gè)IO口
• 　　IIC, SPI, PWM, PDM 接口
• 　　寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V
• 　　寬操作溫度范圍( -40 °C 到 +125°C)
• 　　QFN32 或者 QFN24 封裝

　　內部結構原理圖：

　　Pcap01發(fā)揮了PICOCAP®測量原理的高精度優(yōu)勢，使電容測量達到了一個(gè)前所未有的水平。根據傳感器和參考電容大小不同，以及所選擇的測量模式的不同，我們有如下測量數據。這個(gè)測量數據為典型測量噪聲精度vs.數據輸出頻率, 我們的測試是應用Pcap01評估系統以及10pF參考電容和1pf的Span加載電容完成。芯片的電壓為 V = 3.0 V：

　　上面表格中可以 看到，我們分別給出了floating漂移模式和Grounded接地模式兩種情況。當應用漂移模式，完全補償的情況下，在5Hz輸出時(shí)測量的RMS噪聲為6aF，測量有效位高達20.7位!在選擇不同測量頻率的不同設置情況下，精度和速度的相對關(guān)系在表格中給出。 當然隨基礎電容大小不同，測量的有效分辨率也會(huì )有所不同。

　　當應用補償模式進(jìn)行高精度測量時(shí)，可以使測量有非常低的增益和零點(diǎn)漂移。電容可以連接為接地，漂移模式。而傳感器和參考電容是通過(guò)內部集成的模擬開(kāi)關(guān)選擇到放電網(wǎng)路中。另外由于專(zhuān)利的電路和補償算法，內部可以補償寄生電容。補償的結果可以達到在溫度范圍內僅0.5 ppm /K 增益偏移。這比絕大多數傳感器本身內部偏移要好得多。

　　傳感器連接的方式：

　　對于電容傳感器的測量，芯片提供了非常靈活的連接方式，對比典型的連接方式如下所示：

　　在芯片中用戶(hù)可以自己選擇是用內部集成的放電電阻進(jìn)行電容的測量，還是外接放電電阻來(lái)進(jìn)行測量，連接的方式如下圖所示：

　　導線(xiàn)補償：

　　在電容測量當中，導線(xiàn)的寄生電容對于整個(gè)測量的影響是不能夠忽略的。尤其當導線(xiàn)較長(cháng)的情況下，導線(xiàn)寄生電容的影響將會(huì )對測量結果有致命的影響。在Pcap01當中，可以對傳感器的導線(xiàn)寄生電容進(jìn)行有效補償：

　　通過(guò)上面的傳感器連接的方式，可以補償連接傳感器兩端的導線(xiàn)寄生電容，消除導線(xiàn)對于測量結果的影響。那么如果想要進(jìn)行導線(xiàn)補償，3個(gè)在漂移模式的測量需要被進(jìn)行如下：

　　如果對于高穩定性高精度的測量，我們推薦連接傳感器為漂移模式，來(lái)進(jìn)行完全補償。當然如果導線(xiàn)非常短，而且對于測量性能溫度性能要求并不苛刻的情況下，也可以?xún)H使用內部補償，在接地和漂移模式下均可以應用：

　　溫度測量單元RDC：

　　Pcap01內部有一個(gè)非常強大的溫度測量單元，用戶(hù)可以選擇外接溫度傳感器測量，或者應用內部集成的鋁電阻作為溫度傳感器電阻。內部鋁電阻的溫度系數為T(mén)K ≈ 2800 ppm/K，一般的溫度測量完全可以滿(mǎn)足。當然如果對于溫度測量要求較高，則需外接高精度溫度傳感器(如PT1000)來(lái)進(jìn)行測量。

　　應用外部溫度傳感器

　　應用內部溫度傳感器

　　48位功能強大DSP處理單元：

　　芯片內部帶有一個(gè)48位的信號處理單元，這個(gè)處理單元將會(huì )處理CDC(電容測量)和RDC(電阻測量)的信息，獲得測量數據將結果給到芯片輸出端口。所獲得的粗值數據將會(huì )存放在內部RAM當中，而內部有OTP或者SRAM可以用于客戶(hù)進(jìn)行自己程序的編寫(xiě)。芯片在測量完成后，一定會(huì )進(jìn)入SRAM或者OTP執行內部程序，最簡(jiǎn)單的就是將測量結果讀出寫(xiě)入到芯片的。那么還可以在程序當中進(jìn)行非常多的工作，普通單片機的功能都可以在芯片內部的DSP處理單元中實(shí)現。acam公司為芯片提供不同版本的固件，適合不同種類(lèi)的應用。例如提供了測量溫濕度的固件，當您將芯片應用于溫濕度測量的時(shí)候，可以對于溫度和濕度進(jìn)行非常方便簡(jiǎn)單的校正和補償，內部還有集成的計算軟件，更加方便客戶(hù)的開(kāi)發(fā)。

　　壓力固件是另一個(gè)針對壓力傳感器應用以及其他普通應用的集成固件。它帶有高階的多項式逼近的數學(xué)算法線(xiàn)性補償，還帶有溫度補償算法，這些補償算法除了在壓力傳感器的應用當中，還可以在其他很多的傳感器應用當中進(jìn)行調用，實(shí)現非常簡(jiǎn)單。

　　另外還有標準固件，進(jìn)行普通電容測量，給出結果，有多個(gè)通信接口有效等必要功能。對于DSP，以及內部程序編寫(xiě)更詳細的信息，請參考Pcap01的DSP技術(shù)手冊。您如果對于功能上有任何需求的話(huà)，請與acam公司大中國區總代理世強電訊的技術(shù)支持人員聯(lián)系，將會(huì )向您提供比較完整的咨詢(xún)，以及合適的內部固件程序。

　　芯片硬件軟件設計方案

　　

 

　　上圖為一個(gè)典型的Pcap01硬件設計方案，適合于普通的電容式傳感器(傳感器未在圖中標出)。輸出的方式為SPI穿行通信方式?？蛇x擇帶有外部溫度傳感器溫度測量，當然也可使用內部集成溫度測量電阻。整體電路設計非常簡(jiǎn)單，所需元器件數量非常少。大大降低了整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)難度。

　　5.應用領(lǐng)域：

　　電容數字轉換器有非常廣泛的應用空間，主要應用領(lǐng)域如下：

　　溫濕度傳感器 壓力傳感器 液位傳感器

　　位移傳感器 角度傳感器 加速度傳感器 稱(chēng)重衡器等……..

　　6.結束語(yǔ)

　　綜上所述，Pcap01單芯片方案將會(huì )使您的整體方案設計更加簡(jiǎn)單，電容測量性能更佳優(yōu)越和可靠，革新的單芯片電路以及可以自由選擇的帶有不同補償方式的固件如線(xiàn)性補償以及溫度線(xiàn)性補償方式，不僅僅提升了電路測量的水平，同時(shí)也進(jìn)一步提高了傳感器本身的測量性能。Pcap01芯片將會(huì )使電容測量更加簡(jiǎn)單方便!