CN0346

RH是空气中水蒸气的含量，以某一温度下空气中最大承受量的百分比表示。相对湿度是一个重要的指标，因为它将温度和压力的效应纳入考虑范围。

湿度计是传统的RH测量设备，多年来采用了多种形式，包括金属纸卷、人的头发以及双温度计部署。现代电子部署中采用容性元件，可抵抗老化效应、冷凝和快速温度波动。

当聚合物或金属氧化层受不同量的水分影响时，容性传感器的介电常数也会发生变化。大部分容性传感器需要经数秒才会对湿度变化做出响应。

湿度传感器特性

图1中的电路使用Innovative Sensor Technology P14-W系列容性传感器。传感器的重要规格包括电容、灵敏度、温度、线性度和迟滞。

传感器的典型电容较大为150 pF ± 50 pF(30% RH时)。该共模电容不影响相对湿度读数，但需要特殊电路才能与电容数字转换器实现接口。

容性元件的灵敏度决定了相对湿度读数。灵敏度是相对湿度改变1%时，电容的变化量；通过测量两个独特相对湿度点的电容，并除以RH百分比的变化即可计算得到灵敏度。

P14-W的典型灵敏度为0.25 pF/% RH。

若要计算特定相对湿度条件下的传感器温度依赖性，可使用下列公式和系数(数据来自Innovative Sensor Technology P14-W数据手册)：

其中：

B1 = 0.0014/°C
%RH = 42%
B2 = 0.1325%
RH/°C T = 23°C
B3 = −0.0317
B4 = −3.0876% RH
T_DEPEND = −0.0191% RH.

若温度为23°C，则42% RH计算值将改变−0.0191% RH。将此数值加入% RH计算值可校正传感器的温度依赖性。

Innovative Sensor Technology P14-W系列的线性度和迟滞为±1.5% RH。

计算相对湿度

相对湿度可由电容C和温度T算得，计算步骤如下：

1. 从电容读数中减去电容。
2. 除以灵敏度。
3. 在计算值中加入参考湿度。
4. 计算温度依赖性T_DEPEND。
5. 在步骤3的结果中加入T_DEPEND。

例如，假设容性传感器读数为C = 153 pF (T = 23°C)，若理想特性如下：

• 电容 = 150 pF (30% RH)
• T_DEPEND = −0.0191% RH
• 灵敏度 = 0.25 pF/% RH
• 参考点 = 30% RH (23°C)

根据上文说明以及下文公式，计算相对湿度：

计算相对湿度测量的温度依赖性方法与所选特定湿度传感器有关；因此，必须始终参考数据手册来确定正确公式。

电容数字转换器(CDC)

24位 AD7745 CDC使用开关电容充电平衡电路测量电容，如图2所示。吞吐速率为10 Hz至90 Hz。

电荷与电压和电容的乘积Q = V × C成正比，转换结果表示输入传感器电容C_SENS与内部参考电容C_REF之比。激励电压(EXC)和内部基准电压(V_REF)具有固定的已知值。

待测C_SENS连接激励源和Σ-Δ型调制器输入。转换期间在C_SENS上施加32 kHz方波激励信号，而调制器会对流过C_SENS的电荷进行连续采样。数字滤波器处理调制器输出，该输出为0和1位流。转换值包含在位流的1密度中。来自滤波器的数据经过调节并经过校准，结果通过串行接口读取。

输入范围调节

AD7745测量输入电容时有两个限制。首先，其动态范围为±4.096 pF，但很多基于电容的湿度传感器具有更大的动态范围。其次，CDC的最大共模电容为21 pF。很多湿度传感器具有更大的电容。

AD7745具有偏置输入共模范围的能力，方法是编程设置内部7位电容DAC (CAPDAC)寄存器。CAPDAC用作负电容，通过内部连接至CIN1±引脚。这允许高达21 pF典型值的共模电容。

加入图1所示的范围扩展电路，确保在C_SENS中传输的电荷保持在AD7745的输入范围内。为此，激励电压减小F倍，以使传感器电容增加F倍。

计算范围扩展系数

若要计算范围扩展系数，必须编程设置AD7745的两个独立激励源(EXCA和EXCB)，以使EXCB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AD7745差分激励电压(V_EXCA/V_EXCB，位于EXCA与EXCB之间)与运算放大器AD8515正输入端的衰减激励信号(V_EXCS)的比值。范围扩展系数计算如下：

衰减后的激励电压V_EXCS的平均电压为VDD/2。AD8515运算放大器用作低阻抗缓冲器，确保AD7745开始采样时，C_SENS处于完全充电的状态。

传感器电容可能高达200 pF，且AD7745共模电容的最小值为17 pF，因此所需范围扩展系数(F_CM)为：

传感器动态范围计算如下：

动态范围所需的范围扩展系数(F_DYN)计算如下：

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

选择电阻值

选择R1和R2值，部署所需的范围扩展系数。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系列中的下一值：

其中：

R1 = 100 kΩ
F = 11.76
R2 = 118.58 kΩ.

使用容差为1%或更低的电阻。任一电阻(R1或R2)值的小幅变化都可导致范围扩展系数的大幅变化。若R1电阻值为100 kΩ，R2电阻值为118 kΩ，则范围扩展系数为：

使用CAPDAC移除共模电容

AD7745容性输入经过出厂校准，因此输入范围为0 pF至4.096 pF(单端模式)，以及±4.096 pF(差分模式)。AD7745集成内部CAPDAC，允许调节输入共模电容。

CAPDAC用作负电容，通过内部连接至CIN1±引脚。有两个独立的CAPDAC，一个连接到CIN1(+)，另一个连接到CIN1(−)。

CAPDAC具有7位分辨率，满量程值为21 pF ± 20%。

计算图1示例中单端湿度检测元件所需的CAPDAC设置时，可将针对下列十进制代码值对应的17 pF共模电容设置CAPDAC：

测试设置

CN-0346系统未正确设置并校准前，无法收集测试数据。首先，将EVAL-CN0346-PMDZ印刷电路板(PCB)放置在一个湿度受控的空间内，并连接精密电感电容电阻(LCR)计量仪(HP4284A)。LCR计量仪将任何电容计算与传感器的实际电容值关联起来。两组导线从每一个PCB的密闭容器中伸出去。第一组导线专用于I²C数字通信。第二组导线允许通过LCR计量仪直接测量传感器电容；只有在E VA L-CN0346-PMDZPCB未连接电源时才可执行此测量。

图3显示用于基准测试设置中数据采集的框图。

其次，对于两个特定的湿度水平(5% RH和95% RH)，使用AD7745测量外壳的温度，并使用LCR计量仪测量传感器电容。使用这两个校准点来计算传感器的灵敏度。

将灵敏度输入Calculations选项卡中的Relative Humidity Calculation 字段(图4)。使用10% RH校准点填充C_BULK字段和RH_REF(%)字段。

最后，计算所需CAPDAC共模值，并将其输入CAPDAC字段，如图5所示。

至此，CN-0346系统准备就绪并完成计算。Click to Sample可将传感器电容值以C_CALC形式显示在Capacitance Calculation窗口中。收集样本时，改变湿度，观察相对湿度计算的变化。

测试结果

所有测试数据均来自放入密闭容器的Boveda包(Boveda, Inc.)以及三个EVAL-CN0346-PMDZ PCB，如图6所示。Boveda包内含有经特殊处理的纯净水和盐溶液，设计用于控制密闭容器内的湿度，使其保持±2.5%的特定预设相对湿度值。

图7显示整个相对湿度范围内的相对湿度误差。

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，应考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。有关布局和接地的信息，请参见 MT-031 指南；有关去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南 。

所有IC的电源应当用1 μF和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近器件。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。

电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。将时钟和其他快速开关数字信号连接至数字地，以便它们和电路板上的其他器件相屏蔽。PCB如图8所示。

欲获得有关本电路笔记的完整设计支持包，请访问 www.analog.com/CN0346-DesignSupport。