具有擴展范圍的電容數字轉換器

評估和設計支持

■   電路評估板

■   CN-0552電路評估板(EVAL-CN0552-PMDZ)

■   ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開(kāi)發(fā)板(EVAL-ADICUP3029)

■   設計和集成文件

■   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)應用，例如液位監測、壓力測量、位置檢測、流量計、濕度檢測等。ΣΔ (Sigma-Delta)電容數字轉換器(CDC)用方波激勵未知電容，并將產(chǎn)生的電荷轉換成單位數字輸出流^[GL1]。然后，由數字濾波器處理位流^[GL2]，輸出精確的低噪聲電容測量值。

圖1所示的電路來(lái)自24位電容數字轉換器(CDC)，在17 pF最大體電容下，默認滿(mǎn)量程輸入范圍為±4.096 pF，但在最大體電容為200 pF時(shí)，可以擴展到±50 pF^[GL3]。輸出數據速率可以從9.1 sps調節到90.9 sps，在16.1 sps設置速率下提供對50Hz和60Hz電力線(xiàn)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，以執行溫度補償和系統校準。

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

ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個(gè)電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規范，電路的功能和性能都在實(shí)驗室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測試和檢驗。然而，您需負責自行測試電路，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致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(chǎn)權歸ADI公司或其授權方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過(guò)此參考電路的應用及使用而獲得任何專(zhuān)利或其它知識產(chǎn)權。ADI公司確信其所提供的信息是準確可靠的。不過(guò)，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(xiāo)性、非侵權或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI公司無(wú)需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專(zhuān)利或其它第三方權利的侵權負責。ADI公司有權隨時(shí)修改任何參考電路，恕不另行通知。

電路描述

電容數字轉換

圖1所示的電路的核心為AD7746，是一款24位Σ-Δ電容數字轉換器(CDC)，具有I2C串行通信接口，提供高分辨率（24位無(wú)失碼，最高21位有效分辨率）、高線(xiàn)性度(±0.01 %)和高精度（±4 fF工廠(chǎng)校準）電容測量。它使用二階調制器和三階數字濾波器^[GL4]。將一個(gè)方波激勵信號施加到CXn的一端，調制器連續地對通過(guò)相應CINn引腳的電荷進(jìn)行采樣。調制器輸出經(jīng)過(guò)數字濾波器處理、按比例縮放，并應用工廠(chǎng)校準系數，最終結果通過(guò)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字電容轉換器(CAPDAC)進(jìn)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動(dòng)信號。

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針對浮動(dòng)式容性傳感器而設計。所以，兩個(gè)CX板都必須接地隔離^[GL5]。

圖2 AD7746功能框圖

兩個(gè)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(gè)來(lái)實(shí)現電容傳感器激勵，但是，建議使用單獨的激勵引腳來(lái)測量每個(gè)電容通道。

CAPDAC操作

AD7746包含兩個(gè)電容數模轉換器，或者CAPDAC，如圖3所示。CAPDAC可以理解為在內部連接到CIN引腳的負電容。

可用于改變輸入范圍和補償傳感器元件的大電容。CAPDAC具有7位分辨率，滿(mǎn)量程值[GL6] 為21pF ± 20%。例如，假設傳感器具有17pF大電容?？梢园慈缦鹿接嬎闼璧腃APDAC設置：

有兩個(gè)獨立的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。電容輸入和輸出數據之間的關(guān)系如公式1所示：

圖3 AD7746 CAPDAC

電容輸入范圍

典型的電容測量設置要求在A(yíng)D7746的CIN和EXC引腳之間連接容性材料。默認情況下，標稱(chēng)輸入范圍為±4.096 pF，根據CAPDAC的設置值，中間值可能會(huì )變化。有兩種測量模式可用：?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換模式，取決于要測量的電容類(lèi)型。例如，可以將采用塑料封裝的浮動(dòng)^[GL7]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，所以在轉換期間，必須至少部分取消^[GL8]該共模電容。

單端電容輸入

在單端轉換模式下，必須從內部斷開(kāi)AD7746的CIN(-)引腳的連接，這種斷開(kāi)是通過(guò)寫(xiě)入CAP_SETUP_REGISTER，并將CAPDIFF位設置為等于0來(lái)實(shí)現的。圖4顯示單端轉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范圍內的輸入電容。表1顯示如何使用CAPDAC來(lái)改變大電容輸入范圍(CX1)，以在該值下實(shí)現整個(gè)± 4pF測量范圍。

表1 采用CAPDAC值時(shí)的AD7746單端電容輸入范圍

差分電容輸入

使用差分轉換模式時(shí)，AD7746測量CIN(+)和CIN(-)電容輸入之間的差值。這是通過(guò)寫(xiě)入CAP_SETUP_REGISTER并將CAPDIFF位設置為等于1來(lái)配置的。圖5顯示差分轉換的基本連接圖。

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(guò)CAPDAC進(jìn)行平衡意味著(zhù)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、失調誤差和非線(xiàn)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

擴展輸入范圍電路

圖6顯示擴展AD7746電容數字轉換器的電容輸入范圍所需的電路。擴展后的范圍設置測量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(gè)低阻抗源，確保在A(yíng)D7746開(kāi)始采樣時(shí)，傳感電容完全充電。

圖6 輸入范圍擴展電路

AD7746 CDC使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)測量電容，以構建一個(gè)電荷平衡電路^[GL9]，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，轉換結果表示輸入電容與內部基準電容之間的比值。激勵電壓和內部基準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的電荷轉移始終在A(yíng)D7746的輸入范圍內。要實(shí)現這種輸入范圍擴展，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(gè)獨立的激勵電壓源EXCA和EXCB，為了擴展輸入范圍，在設置激勵源時(shí)，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（使用公式3）。

電路描述

其中：

F表示范圍擴展因數

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

范圍擴展因數計算

要計算擴展因數，用戶(hù)首先必須確定哪些傳感器參數是幫助實(shí)現所需的范圍擴展的主要因素：大電容或動(dòng)態(tài)范圍。假設一個(gè)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為：

其中：

F_FIX表示范圍擴展因數

200 pF是傳感器的最大體電容

17 pF是CAPDAC可接受的最大電容（在正常范圍設置中）

可以使用以下公式，利用傳感器坡度(pF / %RH)和滿(mǎn)量程輸入范圍計算傳感器(CDYN)的動(dòng)態(tài)范圍：

該動(dòng)態(tài)范圍(FDYN)所需的范圍擴展因數計算如下：

所以，該傳感器的大電容確定了范圍擴展因數，應設置為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準E96系列電阻中的下一值，這個(gè)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致范圍擴展因數的大幅變化。

因此，電阻值（R1為100 kΩ，R2為118 kΩ）被用于使用公式3來(lái)計算具體的范圍擴展因數：

因此，可以使用公式5計算動(dòng)態(tài)電容輸入范圍：

 ，或約為±50 pF。

所需的CAPDAC設置

AD7746包含CAPDAC，可用于補償傳感器元件的大電容。對于A(yíng)D7746，CAPDAC的滿(mǎn)量程最小值為17 pF，典型值為21 pF。因此，對于給定的CAPDAC設置，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(guò)，片內電容之間的比率變化非常小。

AD7746電容輸入經(jīng)過(guò)出廠(chǎng)校準，增益校準(GAIN_CAL)存儲在電容增益校準寄存器(0xF)中。存儲在電容增益校準寄存器中的校準因數可以通過(guò)公式6計算得出：

其中：

FGAIN_CAL表示增益校準因數

GAIN_CAL表示數字碼值，存儲在電容增益校準寄存器(0xF)中

考慮采用出廠(chǎng)編程值0x69（十六進(jìn)制）或105（十進(jìn)制）的特定器件。增益校準因數為：

內部基準電壓源電容^[GL10](CREF)可定義為AD7746的允許滿(mǎn)量程輸入電容與增益校準因數(FGAIN_CAL)的乘積，CREF的值可使用公式7計算得出：

設計AD7746時(shí)，保證滿(mǎn)量程CAPDAC電容(CCAPDAC)與內部基準電壓源電容^[GL11]之間的比值為3.2。所以，CAPDAC的滿(mǎn)量程可以使用公式8計算得出：

電路描述

在本例中，CCAPDAC為：

1LSB的電容可以使用公式9計算得出：

在本例中，C_{LSB_CAPDAC}為：

范圍擴展電路確保檢測電容內的電荷轉移始終在A(yíng)D7746的輸入范圍內。當CAPDAC從CIN1±或CIN2±輸入端的檢測電容中獲取電荷時(shí)，被檢測的電容下降。這個(gè)被檢測電容(CDAC_EFF)用于補償傳感器的大電容。CAPDAC電容的1個(gè)LSB表示對檢測電容的補償，使用公式10進(jìn)行計算：

在本例中，C_{DAC_EFF}為：

所需的CAPDAC設置可以使用公式11計算得出：

其中：

D_{AC_SET}表示7位數字碼DAC值

C_SENSOR表示需要范圍擴展的基本電容。

C_SENSOR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C_SENSOR ±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，設置為1，以將CAPDACA連接到電容輸入。產(chǎn)生的字節是1010 0110，這相當于0xA6十六進(jìn)制值，該值可以寫(xiě)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。

系統性能

圖7顯示在11ms轉換時(shí)間(91sps)模式下，沒(méi)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10個(gè)不同的給定數據集，得出所需的平均RMS噪聲值為85.4 aF。

圖7 AD7746噪聲，11ms轉換時(shí)間模式

常見(jiàn)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。兩款芯片均針對浮地電容傳感器而設計。

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(kāi)始使用

本節介紹使用CN-0552測試和測量電容材料的設置和步驟。

圖8 EVAL-CN0552-PMDZ頂視圖

設備要求

■   EVAL-CN0552-PMDZ參考設計板

■   EVAL-ADICUP3029開(kāi)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示波器應用程序

功能框圖

圖9所示為CN-0552測試設置的功能框圖。

圖9 測試設置功能框圖

設置和測試

要測試該板，請執行以下步驟：

1.將EVAL-CN0552-PMDZ連接至EVAL-ADICUP3029的母端子板(P9)。參見(jiàn)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的復位按鈕。

6. 打開(kāi)IIO示波器應用。根據器件設置序列號。按刷新按鈕，在顯示“ad7746”后，按連接。參見(jiàn)圖11

圖11 IIO示波器連接面板

7. 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(huì )在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專(zhuān)利或專(zhuān)有保護電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì )損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

 [GL1]單比特數字輸出碼流

 [GL2]比特流

 [GL3]默認情況下，CDC的滿(mǎn)量程輸入范圍是±4.096 pF，最大體電容是17pF，但是能夠將滿(mǎn)量程輸入范圍擴展到±50 pF [GL3]，并且將最大體電容擴展到200pF。

 [GL4]包含一個(gè)二階調制器和一個(gè)三階數字濾波器

 [GL5]AD7746針對浮地容性傳感器而設計。因此，兩個(gè)CX極板必須與地隔離。

 [GL6]滿(mǎn)幅輸出

 [GL7]浮地

 [GL8]消除部分

 [GL9]使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)構建一個(gè)電荷平衡電路 [GL9]以測量電容

 [GL10]內部基準電容

 [GL11]內部基準電容