PCAP01 C 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：

n

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

n

非常寬的電容測量范圍, 從幾 fF 到上百nF

n

超低增益和offset漂移

n

18 位高分辨率溫度測量

n

48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

n

內部或者外部時(shí)鐘振蕩

n

最多可以支持6個(gè)IO口

n

IIC, SPI, PWM, PDM 接口

n

寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V

n

寬操作溫度范圍( -40 °C到+125°C)

n

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：