先進(jìn)的阻抗與電容測量轉換器

本次在線(xiàn)座談主要介紹了adi先進(jìn)的阻抗與電容測量轉換器的原理及應用。本文包括兩部分內容：第一部分主要討論阻抗轉換器，第二部分主要討論電容轉換器。在這兩部分中，我們先回顧電阻和電容測量方法的主要特點(diǎn)，然后介紹adi針對這兩種應用推出的先進(jìn)的阻抗數字轉換器及電容數字轉化器。

一.阻抗轉換器

阻抗定義

現實(shí)世界的電路元件很復雜，除表現出電阻特性外，還會(huì )表現出電容特性和電感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一個(gè)通用概念，它不僅考慮了元件在特定頻率條件下的阻值，還考慮了在此頻率下的相位關(guān)系。
通過(guò)測量一系列頻點(diǎn)下的阻抗，可以獲取有關(guān)待測元件的特性。這是阻抗頻譜法的基礎，也是許多工業(yè)、儀器儀表和汽車(chē)傳感器應用的理論基礎。

阻抗頻譜法阻抗頻譜法利用了電阻器、電感器和電容器所表現出來(lái)的不同頻率特性。理想電阻器對所有頻率都具有恒定的阻抗，理想電感器的阻抗會(huì )隨頻率增高而增大，理想電容器的阻抗會(huì )隨頻率增高而減小。
通過(guò)對未知元件進(jìn)行掃頻，如對一個(gè)化學(xué)傳感器考察其阻抗與頻率的關(guān)系，便可以確定它是阻性元件、感性元件還是容性元件。通常產(chǎn)生的響應信號的實(shí)部和虛部系數與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

2.采用阻抗頻譜法定量地測量待測元件的實(shí)際阻抗參數。在這種情況下，需要建立一個(gè)等效電路模型來(lái)模擬待測元件。這種待測元件通常是一種電化學(xué)或生物醫學(xué)現象，所以需要根據測量到的阻抗特征調整該等效電路以便使其與測量數據最佳匹配。采用這種方法可以對特定待測物進(jìn)行分析。

阻抗頻譜法的重要應用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系統

圖2給出了典型的阻抗分析系統的簡(jiǎn)化功能框圖。頻率激勵由dds產(chǎn)生，dds的輸出頻率在施加于未知阻抗之前通常要經(jīng)過(guò)濾波和放大。利用adc對未知阻抗前、后的波形分別進(jìn)行采樣，然后送入dsp做進(jìn)一步處理。這種簡(jiǎn)單的功能框圖掩蓋了幾個(gè)基本問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題，adc必須對信號在所有頻率范圍內進(jìn)行同步采樣，這樣才能比較激勵波形和響應波形以便獲得相位信息。對此過(guò)程的優(yōu)化是提高系統總性能的關(guān)鍵。第二個(gè)問(wèn)題，因為采用了大量的分立元件，所以元件誤差和溫度漂移以及附加的噪聲都會(huì )對測量精度產(chǎn)生不利的影響，尤其是在小信號工作的條件下。除了元件選擇和pcb尺寸問(wèn)題，大量分立元件還會(huì )給誤差分析帶來(lái)計算困難。

該器件的關(guān)鍵特點(diǎn)之一是它能做離散傅氏變換（dft），將每個(gè)掃頻點(diǎn)的實(shí)部和虛部值都提供給用戶(hù)。使用這些值就可以方便地計算出響應信號的幅度和相對相位信息。其工作原理是，首先將頻率施加在未知的阻抗上，該阻抗可以是阻性、容性、感性或者幾種的組合。用戶(hù)需要外接反饋電阻來(lái)防止響應信號超過(guò)adc的量程并且保證系統的線(xiàn)性特性。通過(guò)電阻選擇，可以測量從100 ～10 m 的阻抗，并且測量精度可達到0.5%。adc的輸出會(huì )送到片內dft模塊進(jìn)行數字處理，以便提取出其實(shí)部和虛部。因有評估軟件支持，允許將外部阻抗連接到評估板，所以很容易生成阻抗與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。

電容數字轉換器

單電極電容傳感器的缺點(diǎn)

1)需要從傳感器到地的虛擬電容耦合。

2)信號測量路徑中存在寄生電容，所以會(huì )導致不可重復和無(wú)法預知的測量結果。

3)無(wú)法增加附加的輸入保護電路。

雙電極電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1)它不依賴(lài)于電容對地耦合。

2)它對寄生電容不敏感，意味著(zhù)它只將信號電荷傳遞給轉換器。這樣就可以實(shí)現可預知的性能和簡(jiǎn)單得多的設計。

3)設計工程師可以根據需要增加附加的輸入保護電路。

電容測量方法

傳統地，檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實(shí)現高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一般說(shuō)來(lái)，電容的測量需要對電容器電極施加一個(gè)激勵源。然后將電容的變化轉換為電壓、電流、頻率或者脈沖寬度的變化。

典型的電容測量方法包括：

a.“直接”方法，首先按照規定的時(shí)間長(cháng)度用特定的電流源對待測電容器充電，然后測量該電容器兩端的電壓。這種方法需要小電流、高精密電流源和高輸入阻抗才能測量出電壓。

b.首先用待測的電容器構成一個(gè)rc振蕩器，然后測量時(shí)間常數、頻率或周期。這種方法很簡(jiǎn)單，但是通常不能達到高精度。

c.測量待測電容器的交流（ac）阻抗。用一個(gè)正弦波信號源激勵該電容器，然后測量該電容器的電流和電壓。使用四線(xiàn)制連接到該電容器，使用比例測量方法，用一個(gè)同步解調器提供最精確的結果。但是，這種電路非常復雜而且需要的器件數量多。

∑-δadc

a.∑-δ體系架構

∑-δ是一種成熟的技術(shù)，許多年來(lái)一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能adc 。圖3給出了工業(yè)標準單芯片 - adc的簡(jiǎn)化體系結構。電容器的cin和cref周期性地切換到電壓輸入vin和參考輸入vref，它們將電荷存儲到積分器cint中。比較器檢測積分器的輸出并控制輸入開(kāi)關(guān)的相位以構成閉環(huán)反饋環(huán)路，從而它使通過(guò)電壓輸入路徑和參考輸入路徑的電荷流動(dòng)保持平衡。所有閉環(huán)反饋環(huán)路系統的目的都是為了達到平衡，或者換句話(huà)說(shuō)是實(shí)現零誤差。這就是∑-δ adc要盡力實(shí)現的目標。

標準的∑-δadc通過(guò)在芯片內的固定電容器和外界輸入之間切換實(shí)現轉換。如果電荷與電壓和電容都成正比，在這種情況下既然電容是變化的，那么為什么不使用固定的電壓來(lái)代替固定的電容？

基于此提出了改進(jìn)的∑-δadc電路。固定輸入電壓可以看作電壓激勵源，被移至芯片外的可變電容器可以看作一個(gè)電容傳感器。結果，輸出數據將表示傳感器電容相對cref變化的比率。輸入端的電荷是不變電容和可變電容之和。其中，要測量的電容是可變電容。通過(guò)芯片內的capdac（這里沒(méi)有示出），可從電荷反饋環(huán)路中減去由不變電容產(chǎn)生的電荷。

∑-δadc電路上述創(chuàng )新的思想允許電容傳感器與∑-δadc直接連接，它具有高分辨率、高精度和高線(xiàn)性度等固有特點(diǎn)。在實(shí)際使用本電路體系結構時(shí)還有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

a.其接口對傳感器節點(diǎn)與地之間的電容以及對地的漏電流都不敏感，這兩點(diǎn)根據實(shí)際電路都會(huì )引起特定的限制。

b.完整的電容數字轉換器可以在單芯片中實(shí)現，因此具有高集成度、系統容易實(shí)現、高可重復性和高可靠性的特點(diǎn)，最后并且很重要的一點(diǎn)就是顯著(zhù)降低了系統成本。

電容傳感器應用實(shí)例

電容傳感器的一個(gè)典型應用是壓力檢測，下面以此為例介紹電容傳感器的具體應用。 壓力傳感器的電路圖主要由兩個(gè)電容極板構成，見(jiàn)圖4。當對傳感器施加壓力時(shí)，電容極板就會(huì )互相靠近。這就有效地減小了兩極板之間的距離‘d’，從而增大了電容?？梢圆捎靡粋€(gè)溫度傳感器來(lái)檢測傳感器溫度的變化，因為其特性會(huì )隨溫度而變化。cdc的一個(gè)adc電壓通道用于周期性地測量溫度。壓力傳感器在工業(yè)、汽車(chē)和醫學(xué)應用中有著(zhù)廣泛的應用。

該器件在 40～＋125℃的溫度范圍內能達到規定的技術(shù)指標，最大功耗電流僅為850 a，具有一個(gè)i2c接口，采用16引腳tssop封裝。首批cdc系列產(chǎn)品有三款器件，分別是ad7745，ad7746和ad7747。

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