電容傳感器的福音AD7746

隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，各種傳感器技術(shù)風(fēng)升水起，電容傳感器就是其中之一。電容式傳感器利用電容器的原理，以各種類型的電容器作為傳感原件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。通過相應(yīng)的外接檢測電路可將這種電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓、數(shù)字、頻率等便于測量的電信號變化，根據(jù)輸出電信號的變化來獲得被測物的信息。

電容式傳感器一般分為三種：變極距式、變面積式和變介質(zhì)式。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、體積小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、低成本、低功耗等諸多優(yōu)越性得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)被應(yīng)用于精密機(jī)械加工、角度測量、微加速度測量、壓力檢測、位置檢測、雜質(zhì)檢測、濕度檢測和液位測量等方面。

檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。傳統(tǒng)的電容檢測電路多由分立元件實(shí)現(xiàn)，其主要的技術(shù)要求有實(shí)時(shí)性能好、能夠抗雜散電容、能測量較大動(dòng)態(tài)范圍、有較好的測量線性度和低漂移等。諸如基于充/放電原理、AC 電橋原理、交流鎖相放大原理、電荷放大原理等各種電容測量電路被研究。這些傳統(tǒng)的電容測量電路，或者方法簡單，達(dá)不到高的精度要求，或者電路復(fù)雜，需要的器件數(shù)量多。而且如果需要數(shù)字輸出必須再用一個(gè)高精度 ADC 把該電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這樣電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、仿真評估冗長、系統(tǒng)測試?yán)щy。ADI 公司將先進(jìn)的信號處理技術(shù)和高集成度制造工藝相結(jié)合，從而以單芯片實(shí)現(xiàn)了以前需要大量分立元件和傳統(tǒng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器才能達(dá)到的精度水平，并且相比傳統(tǒng)的多芯片解決方案，大大降低了成本和功耗，從而解決了從電容到數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性而困難的信號處理問題，非常適用于工業(yè)、醫(yī)療儀器以及自動(dòng)控制傳感器。ADI 公司推出了世界上首款高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC），它在一顆芯片上集成了電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換的所有電路，分辨率達(dá)到aF量級，大大降低了設(shè)計(jì)難度和外部元件成本，從而根除了傳統(tǒng)電容傳感器的限制，解決了從電容到數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的復(fù)雜的信號處理難題。

專用集成電容檢測芯片相對于傳統(tǒng)的分立元件的優(yōu)勢在于整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高而逐漸取代傳統(tǒng)檢測電路。目前應(yīng)用較多的集成檢測電路主要有兩類：

1、C/V轉(zhuǎn)換集成芯片，常用的芯片有美國Micro Sensors公司生產(chǎn)的MS3110，瑞士XEMICS公司生產(chǎn)的XE2004，其特點(diǎn)是可編程且低功耗，以及德國AMG公司生產(chǎn)的CAV424 系列其特點(diǎn)是高精度，但速度較慢。

2、CDC（Capacitance to Digital Converter）電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是基于 CDC技術(shù)的新型電容數(shù)字量轉(zhuǎn)換芯片。這種芯片的特點(diǎn)是高精度，高分辨率，寬輸入范圍。主要有美國AD公司生產(chǎn)的 AD7745、AD7746、AD7747 及AD7142 系列。（注：CDC技術(shù)原理是通過Σ-Δ的技術(shù)，用高精度的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換切換片上固定的電容，得出被測電容與參考電容的比值，再通過積分運(yùn)算使得電路具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力、同時(shí)保持精度不降低，但成本卻大幅下降，具有較廣泛的實(shí)用性。）

這里主要推薦AD7746。AD7746是電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC），包含一個(gè)24位Σ-Δ調(diào)制器、多路復(fù)用器、激勵(lì)源發(fā)生器、精密電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)字濾波器、I2C串行通信接口、片內(nèi)校正控制寄存器、溫度傳感器等。

1、 AD7746 的基本工作原理

AD7746利用開關(guān)電容技術(shù)構(gòu)建電荷平衡電路來測量電容。被測電容Cx連接在EXCA/EXCB（CDC方波激勵(lì)輸出）和CIN+（Σ-Δ調(diào)制器輸入）之間，在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，當(dāng)一個(gè)方波激勵(lì)信號加于被測電容Cx上，24位Σ-Δ調(diào)制器連續(xù)采樣經(jīng)過Cx的電荷，后經(jīng)數(shù)字濾波器處理和校正，最后通過I2C接口將數(shù)據(jù)讀出。

2、 AD7746的性能

AD7746是高分辨率電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可直接與電容傳感器的電容連接進(jìn)行測量。該芯片還具有高分辨率（24位無失真碼、最高21位有效分辨率）、高線性度（±0.01%）和高精度（±4fF工廠校準(zhǔn)）等固有特性。AD7746的電容輸入范圍是±4pF (可變），同時(shí)可接受最大17pF共模電容（不可變），后者可以通過一個(gè)可編程片內(nèi)數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器（CAPDAC）來平衡。

AD7746 有兩個(gè)電容傳感器輸入通道，每個(gè)通道都可以配置為單端或差分輸入，可靈活應(yīng)用于電容傳感器。芯片內(nèi)部有一個(gè)片上溫度傳感器，分辨率為0.1°C，精度為±2°C。片上集成低噪聲、低漂移精密基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘發(fā)生器，無需任何外部元件即可應(yīng)用于電容傳感器。片上集成多路復(fù)用器（MUX），校準(zhǔn)寄存器和電容式傳感的激勵(lì)源。兩路電容輸入、兩路電壓輸入和內(nèi)部的溫度傳感器通過多路復(fù)用器共用一個(gè)Σ-Δ調(diào)制器。兩路激勵(lì)電壓EXCA、EXCB的幅度和相位可以通過內(nèi)部寄存器設(shè)置。通過I2C接口可以實(shí)現(xiàn)CDC內(nèi)部寄存器的配置及內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。軟件設(shè)置芯片的輸出數(shù)據(jù)更新頻率為 10 Hz ~ 90 Hz。當(dāng)以16Hz輸出更新頻率工作時(shí)，可以同時(shí)抑制50Hz和60Hz的信號。

該芯片具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸入，連同差分基準(zhǔn)電壓輸入，允許簡單接口的外部溫度傳感器，如RTD，熱敏電阻器，或二極管。芯片內(nèi)置I2C串行通訊接口，單電源供電，供電電壓為2.7V~5.25V，消耗電流不大于850uA，適合低功耗應(yīng)用。封裝采用TSSOP16，適合要求小尺寸的應(yīng)用。工作環(huán)境溫度范圍為-40 °C ~+125 °C，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗干擾能力。

AD7746 內(nèi)部共有19個(gè)8位寄存器。前7個(gè)為只讀型：第1個(gè)為轉(zhuǎn)換狀態(tài)寄存器，后面6個(gè)用于存放電容和溫度/電壓的轉(zhuǎn)換值；后12個(gè)寄存器的功能依次是：電容設(shè)置、溫度/電壓設(shè)置、激勵(lì)源EXC 設(shè)置、轉(zhuǎn)換/更新速率配置、電容偏移量設(shè)置、電容偏置校準(zhǔn)以及電容/電壓增益校準(zhǔn)。每一個(gè)寄存器都有自己特定的地址，如果想對某可寫寄存器進(jìn)行參數(shù)修改，只需根據(jù)它的地址進(jìn)行寫操作，將待修改的數(shù)值寫進(jìn)去即可。通過對電容設(shè)置寄存器進(jìn)行配置，可以有效確定電容的工作通道和工作模式。電容設(shè)置寄存器默認(rèn)值為0x00，將CIN1置1，可以啟動(dòng)電容第2通道，為0時(shí)，只能使用第1通道。工作模式主要有單端輸入模式和差分輸入模式，模式的切換主要是通過I2C設(shè)置電容設(shè)置寄存器中CAPDIFF的值來實(shí)現(xiàn)，如果外接電容工作于差分模式，CAPDIFF必須置為1，單端輸入模式下工作，CAPDIFF=0。如果CAPCHOP=1， 可以使電容通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間變?yōu)樵瓉淼膬杀?，但通道噪聲會相?yīng)提高。AD7746 內(nèi)部具有可編程的偏移量設(shè)置寄存器，偏移量為-1pF～1pF，分辨率32aF。CAPDAC寄存器可用來補(bǔ)償傳感器元件的大電容，滿量程最小值為17pF，典型值為21pF，需要注意，對于給定的CAPDAC寄存器設(shè)置，電容可能會因傳感器的不同而有很大的差別。從電容、溫度/電壓寄存器讀出的數(shù)字代碼與電容、溫度/電壓都具有一定的關(guān)系，二者可進(jìn)行換算。

3、 AD7746的特點(diǎn)

1）具有高精度高集成度的特點(diǎn)。其特性滿足對微小電容的檢測要求?？梢灾苯雍腿菪詡鞲衅飨噙B，測量電容時(shí)不再需要外部相關(guān)電路，被測電容直接連在芯片引腳上，完成電容/數(shù)字量轉(zhuǎn)換。

2）能夠抑制雜散電容。其中，電容輸入端CIN 可以接受的最大對地電容為 60pF，激勵(lì)端EXC可承受的對地電容高達(dá)100pF。若雜散電容值超過允許的輸入范圍，將會給電容測量帶來一定的誤差。

3）通過設(shè)置CAPDAC模塊，可以實(shí)現(xiàn)耦合電容的軟件補(bǔ)償功能。通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的耦合電容值，在測量過程中，針對不同的極板對，選擇相應(yīng)補(bǔ)償值，使得到的的測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，保證測量精度。

4）自帶數(shù)字濾波器，通過控制寄存器實(shí)現(xiàn)編程，允許調(diào)整濾波器的截止頻率和輸出更新速率，可以更好的獲得電容測量數(shù)據(jù)。

5）具有理想的I2C串行接口，可實(shí)現(xiàn)與微控制器或 DSP 處理器的直接連接，接線的數(shù)量減少。

6）通過輸入電容擴(kuò)展電路和軟件編程，可改變此轉(zhuǎn)換器的輸入量程范圍，目前能到150pF±50pF見應(yīng)用文檔（CN0129）。（這一點(diǎn)很重要。我剛開始看到該芯片的datasheet時(shí)，發(fā)現(xiàn)基電容和可變電容范圍不滿足項(xiàng)目要求，用不了。

7）適用于小體積和低功耗應(yīng)用。廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備上的壓力測量和位置探測，還可應(yīng)用于流量、液面、濕度和不純度檢測等方面。

審核編輯：郭婷