阻抗與電容測量轉(zhuǎn)換器的工作原理、特點和應(yīng)用

本次在線座談主要介紹了ADI先進的阻抗與電容測量轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用。本文包括兩部分內(nèi)容：第一部分主要討論阻抗轉(zhuǎn)換器，第二部分主要討論電容轉(zhuǎn)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，然后介紹ADI針對這兩種應(yīng)用推出的先進的阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換器及電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器。

一。阻抗轉(zhuǎn)換器

阻抗定義

現(xiàn)實世界的電路元件很復(fù)雜，除表現(xiàn)出電阻特性外，還會表現(xiàn)出電容特性和電感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一個通用概念，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。

通過測量一系列頻點下的阻抗，可以獲取有關(guān)待測元件的特性。這是阻抗頻譜法的基礎(chǔ)，也是許多工業(yè)、儀器儀表和汽車傳感器應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

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(xiàn)出來的不同頻率特性。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隨頻率增高而增大，理想電容器的阻抗會隨頻率增高而減小。

通過對未知元件進行掃頻，如對一個化學(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(yīng)信號的實部和虛部系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。

阻抗頻譜法包含兩個層次的應(yīng)用，包括：

1 定性地確定傳感器的阻抗特征。首先在正常工作的條件下確定一個元件或者傳感器的特征是“正?！钡?，然后該系統(tǒng)在可接受的限制條件之下檢測其阻抗特征，其典型應(yīng)用是金屬識別和接近檢測。

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

阻抗頻譜法的重要應(yīng)用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系統(tǒng)

圖2給出了典型的阻抗分析系統(tǒng)的簡化功能框圖。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)過濾波和放大。利用ADC對未知阻抗前、后的波形分別進行采樣，然后送入DSP做進一步處理。這種簡單的功能框圖掩蓋了幾個基本問題。第一個問題，ADC必須對信號在所有頻率范圍內(nèi)進行同步采樣，這樣才能比較激勵波形和響應(yīng)波形以便獲得相位信息。對此過程的優(yōu)化是提高系統(tǒng)總性能的關(guān)鍵。第二個問題，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尺寸問題，大量分立元件還會給誤差分析帶來計算困難。

因此，ADI公司開發(fā)了新的阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)以便解決上述問題。

阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933是一個1M采樣率，12 bit分辨率的阻抗轉(zhuǎn)換器，簡稱為IDC。它解決了前面列舉的諸多問題，并集成了激勵電路和響應(yīng)處理電路。它采用DDS產(chǎn)生預(yù)先確定的掃頻，其控制分辨率為0.1 Hz，最高頻率可達100 kHz。利用上述頻率激勵未知阻抗，然后通過片內(nèi)的ADC對其響應(yīng)波形進行數(shù)字化。

該器件的關(guān)鍵特點之一是它能做離散傅氏變換（DFT），將每個掃頻點的實部和虛部值都提供給用戶。使用這些值就可以方便地計算出響應(yīng)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。用戶需要外接反饋電阻來防止響應(yīng)信號超過ADC的量程并且保證系統(tǒng)的線性特性。通過電阻選擇，可以測量從100 ～10 M 的阻抗，并且測量精度可達到0.5%。ADC的輸出會送到片內(nèi)DFT模塊進行數(shù)字處理，以便提取出其實部和虛部。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。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

單電極電容傳感器的缺點

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，所以會導(dǎo)致不可重復(fù)和無法預(yù)知的測量結(jié)果。

3）無法增加附加的輸入保護電路。

雙電極電容傳感器的優(yōu)點

1）它不依賴于電容對地耦合。

2）它對寄生電容不敏感，意味著它只將信號電荷傳遞給轉(zhuǎn)換器。這樣就可以實現(xiàn)可預(yù)知的性能和簡單得多的設(shè)計。

3）設(shè)計工程師可以根據(jù)需要增加附加的輸入保護電路。

電容測量方法

傳統(tǒng)地，檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一般說來，電容的測量需要對電容器電極施加一個激勵源。然后將電容的變化轉(zhuǎn)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(guī)定的時間長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(gòu)成一個RC振蕩器，然后測量時間常數(shù)、頻率或周期。這種方法很簡單，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。使用四線制連接到該電容器，使用比例測量方法，用一個同步解調(diào)器提供最精確的結(jié)果。但是，這種電路非常復(fù)雜而且需要的器件數(shù)量多。

∑-ΔADC

a.∑-Δ體系架構(gòu)

∑-Δ是一種成熟的技術(shù)，許多年來一直用于通常要求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的簡化體系結(jié)構(gòu)。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關(guān)的相位以構(gòu)成閉環(huán)反饋環(huán)路，從而它使通過電壓輸入路徑和參考輸入路徑的電荷流動保持平衡。所有閉環(huán)反饋環(huán)路系統(tǒng)的目的都是為了達到平衡，或者換句話說是實現(xiàn)零誤差。這就是∑-Δ ADC要盡力實現(xiàn)的目標。

比較器會輸出由‘0’和‘1’組成的碼流，它會隨著用于環(huán)路平衡的電荷量而變化。電荷量與電壓和電容成正比。因為電容的值是固定的，所以‘0’和‘1’的密度就表示輸入電壓（VIN）相對參考電壓（VREF）的比率。因此，全‘1’的恒定碼流表示滿量程，而全‘0’則表示零位或零點。經(jīng)過后續(xù)數(shù)字濾波器處理，我們可以得到輸入電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果。

這種體系結(jié)構(gòu)的固有特點是高線性度和高精度，但是在分辨率和速度之間會有折衷。為了獲得高精度，數(shù)字濾波器會花費較長的處理時間。該轉(zhuǎn)換器的分辨率受系統(tǒng)噪聲的限制。另外，輸出數(shù)據(jù)速率受到時鐘頻率的限制，時鐘頻率取決于開關(guān)速度、積分器帶寬和比較器建立時間。

b.∑-Δ與電容傳感器

標準的∑-ΔADC通過在芯片內(nèi)的固定電容器和外界輸入之間切換實現(xiàn)轉(zhuǎn)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代替固定的電容？

基于此提出了改進的∑-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電容傳感器。結(jié)果，輸出數(shù)據(jù)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。通過芯片內(nèi)的CAPDAC（這里沒有示出），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、高精度和高線性度等固有特點。在實際使用本電路體系結(jié)構(gòu)時還有以下兩個特點：

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

b.完整的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以在單芯片中實現(xiàn)，因此具有高集成度、系統(tǒng)容易實現(xiàn)、高可重復(fù)性和高可靠性的特點，最后并且很重要的一點就是顯著降低了系統(tǒng)成本。

電容傳感器應(yīng)用實例

電容傳感器的一個典型應(yīng)用是壓力檢測，下面以此為例介紹電容傳感器的具體應(yīng)用。 壓力傳感器的電路圖主要由兩個電容極板構(gòu)成，見圖4。當對傳感器施加壓力時，電容極板就會互相靠近。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€溫度傳感器來檢測傳感器溫度的變化，因為其特性會隨溫度而變化。CDC的一個ADC電壓通道用于周期性地測量溫度。壓力傳感器在工業(yè)、汽車和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。

ADI公司現(xiàn)已推出首批高精度單芯片電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該電容傳感器允許不變的共模電容輸入范圍是0 ～17 pF，滿度電容輸入范圍為 4 pF。芯片的最大有效分辨率（ENOB）為21 bit。從電容值來看，這就意味著該芯片可以分辨的最小輸入電容變化值為4 aF（阿法）――大約相當于25 aF的“實際”噪聲自由電容。有人問過1 aF是多少，1 aF等于10“18F （法拉）。所以，25 aF等于0.025 fF。

該器件在 40～＋125℃的溫度范圍內(nèi)能達到規(guī)定的技術(shù)指標，最大功耗電流僅為850 A，具有一個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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