電容傳感器廣泛用于各種工業應用，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，并將產生的電荷轉換成單比特數字輸出碼流。然后，由數字濾波器處理比特流，輸出精確的低噪聲電容測量值。

圖1所示的電路來自24位電容數字轉換器(CDC)，默認情況下，CDC的滿量程輸入范圍是±4.096 pF，最大體電容是17pF，但是能夠將滿量程輸入范圍擴展到±50 pF，并且將最大體電容擴展到200pF（下文簡稱該電路為CN0552）。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

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位無失碼，最高21位有效分辨率）、高線性度(±0.01 %)和高精度（±4 fF工廠校準）電容測量。它包含一個二階調制器和一個三階數字濾波器。將一個方波激勵信號施加到CXn的一端，調制器連續地對通過相應CINn引腳的電荷進行采樣。調制器輸出經過數字濾波器處理、按比例縮放，并應用工廠校準系數，最終結果通過串行接口讀出。

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（不會改變），可以由可編程的片上數字電容轉換器(CAPDAC)進行平衡，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信號。

如圖2所示，AD7746有兩個電容輸入通道（每個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針對浮地容性傳感器而設計。因此，兩個CX極板必須與地隔離。

圖 2. AD7746 功能框圖

兩個激勵引腳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來實現電容傳感器激勵，但是，建議使用單獨的激勵引腳來測量每個電容通道。

CAPDAC 操作

AD7746包含兩個電容數模轉換器，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，滿幅輸出為21pF ± 20%。例如，假設傳感器具有17pF大電容。可以按如下公式計算所需的CAPDAC設置：

有兩個獨立的CAPDAC。一個連接到CIN(+)引腳，第二個連接到CIN(-)引腳，但兩個電容通道共用同一個CAPDAC。電容輸入和輸出數據之間的關系如公式1所示：

圖 3. AD7746 CAP DAC

電容輸入范圍

典型的電容測量設置要求在AD7746的CIN和EXC引腳之間連接容性材料。默認情況下，標稱輸入范圍為±4.096 pF，根據CAPDAC的設置值，中間值可能會變化。有兩種測量模式可用：單端模式或差分模式。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型。例如，可以將采用塑料封裝的浮地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，必須至少消除部分該共模電容。

單端電容輸入

在單端轉換模式下，必須從內部斷開AD7746的CIN(-)引腳的連接，這種斷開是通過寫入CAP_SETUP_REGISTER，并將CAPDIFF位設置為等于0來實現的。圖4顯示單端轉換配置的基本連接圖。

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來改變大電容輸入范圍(CX1)，以在該值下實現整個±4pF測量范圍。

表 1. 采用 CAPDAC 值時的 AD7746 單端電容輸入范圍

差分電容輸入

使用差分轉換模式時，AD7746測量CIN(+)和CIN(-)電容輸入之間的差值。這是通過寫入CAP_SETUP_REGISTER并將CAPDIFF位設置為等于1來配置的。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引腳之間的兩個輸入電容CX和CY必須小于4 pF，或必須小于21 pF并由CAPDAC進行平衡。通過CAPDAC進行平衡意味著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會引入增益誤差、失調誤差和非線性誤差。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顯示其中幾個范圍。

表 2. 采用 CAPDAC 值時的 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低阻抗源，確保在AD7746開始采樣時，傳感電容完全充電。

圖 6. 輸入范圍擴展電路

AD7746 CDC使用開關電容技術構建一個電荷平衡電路以測量電容，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AD7746的輸入范圍內。要實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，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）。

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，用戶首先必須確定哪些傳感器參數是幫助實現所需的范圍擴展的主要因素：大電容或動態范圍。假設一個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：

FFIX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)和滿量程輸入范圍計算傳感器(CDYN)的動態范圍：

該動態范圍(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來計算具體的范圍擴展因數：

因此，可以使用公式5計算動態電容輸入范圍：

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AD7746，CAPDAC的滿量程最小值為17 pF，典型值為21 pF。因此，對于給定的CAPDAC設置，電容可能會因器件不同而有很大差別。其原因在于，AD7746片內電容可能會隨各批次所采用的生產工藝不同而有所變化。不過，片內電容之間的比率變化非常小。

AD7746電容輸入經過出廠校準，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

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

內部基準電容(CREF)可定義為AD7746的允許滿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，保證滿量程CAPDAC電容(CCAPDAC)與內部基準電容之間的比值為3.2。所以，CAPDAC的滿量程可以使用公式8計算得出：

在本例中，CCAPDAC為：

CCAPDAC= 4.096pF× 1.002 × 3.2 = 13.13pF

1LSB的電容可以使用公式9計算得出：

在本例中，CLSB_CAPDAC為：

范圍擴展電路確保檢測電容內的電荷轉移始終在AD7746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，被檢測的電容下降。這個被檢測電容(CDAC_EFF)用于補償傳感器的大電容。CAPDAC電容的1個LSB表示對檢測電容的補償，使用公式10進行計算：

在本例中，CDAC_EFF為：

所需的CAPDAC設置可以使用公式11計算得出：

其中：

DAC_SET表示7位數字碼DAC值

CSENSOR表示需要范圍擴展的基本電容。

CSENSOR表示中等范圍，具有±動態范圍的幅值

得出的輸入電容范圍為CSENSOR ±動態范圍。

其中0x26是一個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。產生的字節是1010 0110，這相當于0xA6十六進制值，該值可以寫入到CAPDACA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轉換時間(91sps)模式下，沒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 轉換時間模式

常規變化

EVAL-CN0552-PMDZ使用雙輸入通道CDC AD7746。如果只需單個輸入通道，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。有關更多信息，請參閱 CN-0552用戶指南。

圖 8. EVAL-CN0552-PMDZ 頂視圖

設備要求

EVAL-CN0552-PMDZ參考設計板

EVAL-ADICUP3029 開發板

ADuCM3029_demo_cn0552.hex文件

兩個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：

將 EVAL-CN0552-PMDZ 連接至 EVALADICUP3029 的母端子板(P9)。參見圖 10。

圖 10. EVAL-CN0552-PMDZ 連接至 EVAL-ADICUP3029

將 USB-A 型連接器插入 PC，將 micro-USB 連接器插入 EVAL-ADICUP3029。

將 aducm3029_demo_cn0552.hex 固件刷到 EVALADICUP309 上。

將兩個 2pF 電容連接到第一個電容的 EXCA 和CIN(+)引腳，連接到第二個電容的 EXCB和 CIN(-)引腳。

按下 EVAL-ADICUP3029 的復位按鈕。

打開 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。參見圖 11。

圖 11. IIO 示波器連接面板

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。

圖 12. IIO 示波器 DMM 選項卡

審核編輯：湯梓紅