CN0129: 扩展电容数字转换器AD7745/AD7746的容性输入范围

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优势和特点
  • 扩展电容检测范围
  • 内部激励构建完整的解决方案
此电路中所用产品
    应用: 
  • 传感器和传感器接口
  • 化学分析
设计资源
设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

本电路提供一种扩展AD7745/AD7746容性输入范围的方法。同时,还说明如何充分利用片内CapDAC,使范围扩展系数最小,从而优化电路,实现最佳性能。AD7745具有一个电容输入通道,AD7746则有两个通道。每个通道均可配置为单端输入或差分输入方式。

图1
图1. AD7745容性输入范围扩展电路(原理示意图,未显示去耦和所有连接)

电路描述

电容数字转换器 AD7745/AD7746利用开关电容技术构建电荷平衡电路来测量电容。电荷与电压和电容的乘积成正比,即Q = V × C,而且激励电压EXCx和内部基准电压CSENS 均为固定的已知值,因此转换结果代表输入电容CREF与内部基准电容VREF 之间的比值。

范围扩展电路必须确保检测电容 CSENS 内的电荷转移始终在AD7745/AD7746的输入范围内。为此,激励电压需要减小F倍,以便与输入端相连的检测电容能增大F倍。

AD7745/AD7746具有两个独立的激励源EXCA和EXCB。为实现范围扩展,必须将EXCB配置为等于EXCA的倒数。电阻R1和R2的连接如图1所示,由此获得的范围扩展系数F等于AD7746激励电压(VEXC(A−B)AD8515 正输入端的衰减激励信号(VEXCS) 的比值。范围扩展系数F的计算公式如下:

Equation 1

通过利用两个激励源,衰减激励电压EXCS的平均值将保持在VDD/2左右。

电路中的运算放大器AD8515用作低阻抗信号源,确保AD7745/AD7746开始采样时,检测电容CSENS已充满电。

容性湿度传感器的特性

下面我们以常见容性聚合物湿度传感器元件为例,说明扩展AD7745/AD7746的输入范围需要如何计算并考虑哪些问题。这种容性传感器元件的典型技术数据如表1所示。

table

计算所需的范围扩展系数F

首先要找出哪一个传感器参数是所需范围扩展的主要因素。

传感器的大电容可能高达200 pF,因此所需范围扩展系数为

Equation 2

传感器的动态范围计算如下:

Equation 3

该动态范围所需的范围扩展系数计算如下:

Equation 4

计算表明,决定范围扩展系数的参数是传感器大电容;因此,后续计算将使用F = 11.76。

选择电阻值R1和R2

选择R1值为100 kΩ。然后计算R2的电阻值,并将其向下舍入为标准E96系列中的值:

Equation 5

使用CapDAC

可以用AD7745/AD7746的CapDAC来补偿传感器元件的大电容。对于AD7745/AD7746,CapDAC的满量程最小值为17 pF,典型值为21 pF。因此,对于给定CapDAC设置,电容可能会因器件不同而有很大差别。

其原因在于,AD7745/AD7746片内电容可能会随各批次所采用的生产工艺不同而有所变化。不过,片内电容之间的比率变化非常小。

AD7745/AD7746容性输入经过工厂校准。此校准系数存储在电容增益寄存器(Cap Gain Register)中。电容增益寄存器中存储的校准系数计算如下:

Equation 6

因此,内部基准电容CREF可以定义为AD7745/AD7746的容许满量程输入电容与增益校准系数的乘积。

Equation 7

对于AD7745/AD7746,满量程CapDAC电容与内部基准电容CREF 之间的比值为3.2。因此,CapDAC满量程电容计算如下:

Equation 8

如果增益校准系数为1.4,则得到的CREF 和CCAPDAC值为:

Equation 9

范围扩展电路确保检测电容CSENS 内的电荷转移始终在AD7745/AD7746的输入范围内。CapDAC接受CIN输入端检测电容的电荷,导致测得的电容减小,这可以用来补偿传感器的大电容。CapDAC电容的一个LSB代表对检测电容补偿:

Equation 10

计算所需的CapDAC设置

CapDAC有一定的动态非线性(DNL)误差。建议通过CapDAC设置,让应用的目标校准点位于容性输入范围的零电平。然后,利用现有系统失调校准功能,就可轻松消除其余失调。

对于本文的湿度传感器元件示例,所需CapDAC设置计算如下:

Equation 11

系统失调校准将补偿其余的较小失调。

利用范围扩展电路进行测量

使用带有范围扩展电路的AD7746演示板进行测量。测量过程中使用可变电容。该板与AD7746标准评估板相连;用标准评估板软件配置器件,并读取转换结果。此类电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”以及教程MT-101——“去耦技术”)。

利用精密LCR测量计将可变电容设置为确定的值。然后,将此电容与范围扩展板相连,其中CapDAC设置为此确定大电容CBULK的计算值。执行系统失调校准,使零点位于CBULK

每进行一次测量,均应利用LCR测量计将该电容设置为所需值,然后将其与范围扩展板相连,以测量AD7746所面对的电容。最后,利用依据所测电阻值得到的系数,计算扩展电容值。可用下列大电容值:CBULK = 100 pF、150 pF和200 pF。

范围扩展电路的计算

由上述计算可知,所需电阻值为100 kΩ和118 kΩ。测量所用电阻,其值如下:R1 = 100.004 kΩ; R2 = 118.060 kΩ.

计算由此获得的范围扩展系数F:

Equation 12

计算动态容性输入范围:

Equation 13

因此,测量范围为±45 pF,以15 pF为步进。

计算增益校准系数值读数:0x5FBD = 24509

Equation 14

因此,CapDAC值和设置分别为:

Equation 15

测量误差

图2所示的测量结果表明,范围扩展电路导致的误差并不取决于所测的大电容值,而是取决于范围扩展电路本身。所有三次测量均显示类似的特点,而且呈线性;因此,可以很容易地通过软件补偿范围扩展电路所引起的误差。

图2. 增益误差与所测电容的关系

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7745 24位、单通道电容数字转换器 AD7745ARUZ
AD7746 24位、双通道电容数字转换器 AD7746ARUZ
AD8515 1.8 V、低功耗、CMOS轨到轨输入/输出运算放大器 AD8515ARTZ-REEL7 AD8515AKSZ-REEL7
沪ICP备09046653号
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