概要

設計リソース

設計サポートファイル

  • 回路図
  • 部品表
  • ガーバーファイル
  • アセンブリファイル
  • Allegroレイアウトファイル
設計ファイルのダウンロード 3.46 M

評価用ボード

型番に"Z"が付いているものは、RoHS対応製品です。 本回路の評価には以下の評価用ボードが必要です。

  • EVAL-ADICUP3029 ($52.97) Ultralow power, Cortex M3, Arduino Form Factor Development Board
  • EVAL-CN0552-PMDZ ($32.10) Extended Range Capacitance to Digital Converter
在庫確認と購入

デバイス・ドライバ

コンポーネントのデジタル・インターフェースとを介して通信するために使用されるCコードやFPGAコードなどのソフトウェアです。

AD7746 Linux Device Driver

AD7746 no-OS Device Driver

機能と利点

  • ±4.096pFの入力範囲は幅広いセンサーに適しています。
  • 回路は入力範囲が拡張されており、入力範囲は±50pFとなっています。
  • 9.1spsの変換レートで4.2aFのRMS分解能
  • システムレベルのキャリブレーション用の補助的な温度センサーと電圧入力

使用されている製品

回路機能とその特長

容量センサーは、液面レベル・モニタリング、圧力計測、位置センシング、流量計、湿度センシングなどの様々な産業用途で使用されています。ΣΔ(シグマデルタ)容量/デジタル・コンバータ(CDC)は、矩形波により未知の容量を励起し、結果の電荷をシングルビットのデジタル出力ストリームに変換することで動作します。その後、デジタル・フィルタによりビット・ストリームが処理され、正確な低ノイズの容量測定値が出力されます。

図 1 に示した回路は、最大バルク容量の 17pF でデフォルトのフルスケール入力範囲が±4.096pF である 24 ビットの容量/デジタル・コンバータ(CDC)ですが、±50pF まで拡張し、最大バルク容量を 200pF にすることもできます。出力データ・レートは9.1sps~90.9sps の範囲で調整可能で、16.1sps に設定することで、50Hz と 60Hz の両方の電源ノイズに対して強力な除去能力を発揮します。この CDC には、温度補償やシステム・キャリブレーション用に 0.1°C の分解能と±2°C の精度を備えた温度計測機能も用意されています。

CN0522 は、I/O 電圧が 2.7V~5.5V であるため、I2C Pmod プラットフォーム・ボードに対応できます。


図 1. CN0552 のブロック図
図 1. CN0552 のブロック図

回路説明

容量/デジタル変換

図 1 に示した回路のコアは AD7746 で、これは高分解能(24 ビットのノー・ミス・コード、最大 21 ビットの実効分解能)、高直線性(±0.01%)、および高精度(出荷時に±4fF にキャリブレーション済み)の容量測定を実現するI2Cシリアル通信インターフェースを搭載した 24 ビットの Σ-Δ 容量/デジタル・コンバータ(CDC)です。2次変調器と 3次デジタル・フィルタで構成されています。矩形波の励起信号が CXn の一方の端子に印加され、対応する CINnピンを通過する結果の電荷が変調器により連続的にサンプリングされます。変調器の出力は、デジタル・フィルタにより処理され、スケーリングされた後、出荷時のキャリブレーション係数が適用されます。そして、最終的な結果がシリアル・インターフェースから読み出されます。

AD7746の容量入力範囲は±4.096pF(変動あり)です。最大17pFのコモンモード容量(変動なし)を許容でき、プログラマブルなオンチップ・デジタル/容量コンバータ(CAPDAC)でバランスを取ることができます。また、ゲイン・バッファとして機能しセンサーに駆動信号を提供するレール to レール・オペアンプの AD8515を使用することで、最大±50pFの入力範囲(変動あり)まで拡張できます。

図 2 に示すように、AD7746 には、それぞれシングル・エンドにも差動にも設定可能な 2 つの容量入力チャンネルに加えて、オンボード温度センサーおよび補助電圧入力チャンネルがあります。AD7746 は、フローティング容量センサー向けに設計されています。このため、両方の CXプレートがグラウンドから絶縁されている必要があります。


図 2. AD7746 のブロック図
図 2. AD7746 のブロック図

EXCA および EXCB の 2 つの励起ピンは、個別にプログラム可能です。これらのピンの機能はまったく同じであるため、どちらのピンを容量センサーの励起に使用してもかまいません。ただし、容量チャンネルの測定ごとに別の励起ピンを使用することを推奨します。

CAPDAC の動作

図 3 に示すように、AD7746 には、2 つの容量性 D/A コンバータ(CAPDAC)が含まれています。CAPDAC は、CIN ピンに内部で接続された負の容量とみなすことができます。

CAPDAC は、入力範囲をシフトさせ、センサー素子のバルク容量を補償するために使用できます。CAPDAC の分解能は 7 ビットで、フルスケールは 21pF ± 20%です。例えば、バルク容量が17pFのセンサーについて考えます。必要な CAPDAC設定は、次式で計算されます。

必要なCAPDAC設定は、この式で計算されます。

2 つの独立した CAPDAC があります。1 つは CIN(+)ピンに接続され、もう 1 つは CIN(−)ピンに接続されていますが、2 つの容量チャンネルは同じ CAPDAC を共有しています。容量入力と出力データの関係は、式 1 で表すことができます。

容量入力と出力データの関係は、この式で表すことができます。

図 3. AD7746 CAPDAC
図 3. AD7746 CAPDAC

容量入力範囲

代表的な容量測定セットアップでは、AD7746 の CIN ピンとEXC ピンの間に容量性材料を接続する必要があります。デフォルトでは、公称入力範囲は±4.096pF で、ミッドスケールの値はCAPDAC で設定された値に応じて変化します。用意されている測定モードは、シングル・エンド・モードと差動モードの 2 つです。シングル・エンド・モードと差動モードのどちらを入力変換モードとして使用するかは、測定しようとしているコンデンサのタイプによって決まります。例えば、プラスチックのケースに入れられたフローティング湿度センサーは、自己容量がAD7746 でコモンモード成分とみなされるほど非常に低いため、シングル・エンド容量として取り扱うことができます。これに対し、接地されたステンレス製の筐体に入れられた容量圧力センサーは、コモンモード容量が差動容量を上回る場合があります。この差動容量がセンサー出力となるため、変換プロセス中にコモンモード容量の少なくとも一部をキャンセルする必要があります。

シングル・エンド容量入力

シングル・エンド変換モードにする場合、AD7746 の CIN(−)ピンを内部で切断することが重要です。これを行うには、CAP_SETUP_REGISTER に書き込み、CAPDIFF ビットを 0 に設定します。図 4 に、シングル・エンド変換構成の基本接続図を示します。

図 4. AD7746 シングル・エンド入力モード
図 4. AD7746 シングル・エンド入力モード

この構成でセットアップした場合、CDC は±4pF の範囲で入力容量を測定することができます。表 1 に、CAPDAC を使用して、バルク容量入力範囲(CX1)をシフトさせ、フル測定範囲をそのバルク値から±4pF にする方法を示します。


表 1. AD7746 シングル・エンド容量入力範囲と CAPDAC 値
CAPDAC(+)
(pF)
CAPDAC(-)
(pF)
CIN(+) Input
Range
(pF)
Bulk Capacitance
(CX) Range
(pF)
0 OFF 0 ± 4 0 - 4
4 OFF 4 ± 4 0 - 8
17 OFF 17 ± 4 13 - 21

差動容量入力

差動変換モードにすると、AD7746 は CIN(+)と CIN(−)間の容量入力差を測定します。この構成にするには、CAP_SETUP_REGISTER に書き込み、CAPDIFF ビットを 1 に設定します。図5 に、差動変換の基本接続図を示します。

図 5. AD7746 差動入力モード
図 5. AD7746 差動入力モード

EXC ピンと CIN ピン間の 2 つの入力容量 CX および CY のそれぞれが 4pF未満(CAPDACを使用しない場合)または 21pF未満(CAPDAC で平衡を取る場合)である必要があります。CAPDAC で平衡を取るとは、CX–CAPDAC(+) と CY–CAPDAC(−)の両方が 4pF未満であることを意味します。EXCピンと CIN ピン間の不平衡容量が 4pF を上回ると、CDC によってゲイン誤差、オフセット誤差、および非直線性誤差が生じます。CX–CAPDAC(+)および CY–CAPDAC(−)が 4pF 未満に維持されている場合、いくつかの入力範囲の組み合わせが考えられます。こうした範囲のいくつかを表 2 に示します。

表 2. AD7746 差動容量入力範囲と CAPDAC 値
CAPDAC(+)
(pF)
CAPDAC(-)
(pF)
CIN(+)
Range
(pF)
CIN(−)
Range
(pF)
Bulk Cap.
(CX) Range
(pF)
Bulk Cap.
(CY) Range
(pF)
OFF OFF 0 - 4 0 - 4 0 - 4 0 - 4
4 4 4 ± 2 4 ± 2 2 - 6 2 - 6
17 17 17 ± 2 17 ± 2 15 - 19 15 - 19

拡張入力範囲回路

図 6 は、AD7746 容量/デジタル・コンバータの容量入力範囲を拡張するために必要な回路を示しています。拡張範囲設定では、AD7746 の CIN ピンと AD8515 の出力間の容量値が測定されます。AD8515 オペアンプは、回路内で低インピーダンス源としても機能し、AD7746がサンプリングを開始するときにセンシング容量が完全に充電されるようにします。

図 6. 入力範囲拡張回路
図 6. 入力範囲拡張回路

AD7746 CDC は、スイッチング・コンデンサ技術を用いて容量を測定し、式 2 に示した電荷、容量、および電圧の式を用いて電荷平衡回路を構築します。

電荷、容量、および電圧の式。


ここで、各記号の意味は次のとおりです。
Q:電荷
V:電圧
C:容量

したがって、変換結果は入力容量と内部リファレンス容量の比率を表しています。励起電圧および内部リファレンス電圧には、既知の固定値があります。

範囲拡張回路は、入力容量の電荷移動が AD7746 の入力範囲内に収まるようにします。入力範囲を拡張するには、入力に接続されている入力容量を特定の係数だけ増加させることができるように、励起電圧を同じ係数だけ減少させる必要があります。AD7746 には、EXCA と EXCB の 2 つの独立した励起電圧源があります。入力範囲を拡張する場合は、EXCB が EXCA と反転するように励起電圧源をセットアップする必要があります。図 6に示した抵抗(R1 および R2)は、式 3 を用いて結果の範囲拡張係数を計算するために使用します。

結果の範囲拡張係数を計算するために使用する式。

ここで、各記号の意味は次のとおりです。
F:範囲拡張係数
VEXC(A−B):励起電圧源間の電圧
VEXCS:減衰された電圧(約VDD/2)
R1およびR2:抵抗値

範囲拡張係数の計算

拡張係数を計算するには、まず、必要な範囲拡張に主に寄与するセンサー・パラメータをバルク容量とダイナミック・レンジのどちらにするかを決定する必要があります。バルク容量が150pF ± 50pF で、スロープが 0.25pF/%RH の代表的な相対湿度センサーについて考えます。センサーのバルク容量は 200pF まで高くなる可能性があります。その場合、必要な範囲拡張係数は次のとおりです。

センサーのバルク容量を200pFまで高くする場合に必要な範囲拡張係数。

ここで、各記号の意味は次のとおりです。
FFIX:範囲拡張係数
200pF:センサーの最大バルク容量
17pF:CAPDACが許容できる最大容量(通常レンジ設定時)

次の式を用いて、センサーのスロープ(pF/%RH)とフルスケール入力範囲からセンサーのダイナミック・レンジ(CDYN)を計算することができます。

センサーのダイナミック・レンジを計算するための式。

このダイナミック・レンジに必要な範囲拡張係数(FDYN)は、次のように計算できます。

ダイナミック・レンジに必要な範囲拡張係数を計算するための式。

このように、センサーのバルク容量によって範囲拡張係数が決まり、範囲拡張係数を 11.76に設定する必要があることがわかります。

R1 および R2 の抵抗値の選択

100kΩ という値が R1 に選択されました。R2 の抵抗値は、R2 について解くために式 3 を変形した次の式を用いて計算され、標準的な E96 シリーズでこれより小さい最近傍の値に丸められます。いずれかの抵抗(R1およびR2)の値を少し変えるだけで、範囲拡張係数が大きく変化する場合があることに注意してください。

いずれかの抵抗(R1およびR2)の値を少し変えるだけで、範囲拡張係数が大きく変化する場合があることに注意してください。

したがって、以下の結果が得られます。

式

式 3 にこれらの抵抗値(R1 に 100kΩ、R2 に 118kΩ)を適用して、正確な範囲拡張係数を計算します。

式

したがって、ダイナミック容量入力範囲は、式5を用いて計算できます。

ダイナミック容量入力範囲を計算するために用いる式。

または、約±50pF

必要な CAPDAC 設定

AD7746 には、センサー素子のバルク容量を補償するために使用できる CAPDAC があります。AD7746 の場合、CAPDAC のフルスケール値は 17pF 以上で、通常は 21pF です。したがって、所定の CAPDAC 設定に対し、容量がデバイス間で大きく異なることがあります。この変動の理由は、製造工程で AD7746 のオンチップ容量がバッチごとに異なる場合があるためです。ただし、オンチップ容量間の比率の変動は大きくありません。

AD7746 の容量入力は出荷時にキャリブレーションされており、ゲイン・キャリブレーション(GAIN_CAL)が容量ゲイン・キャリブレーション・レジスタ(0xF)に保存されています。容量ゲイン・キャリブレーション・レジスタに保存されたキャリブレーション係数は、式 6 を用いて計算することができます。

容量ゲイン・キャリブレーション・レジスタに保存されたキャリブレーション係数を計算するために用いる式。

ここで、各記号の意味は次のとおりです。
FGAIN_CAL:ゲイン・キャリブレーション係数
GAIN_CAL:容量ゲイン・キャリブレーション・レジスタ(0xF)に保存されているデジタル・コード値

出荷時に 0x69(16 進数)、つまり 105(10 進数)の値にプログラムされている特定のデバイスについて考えます。ゲイン・キャリブレーション係数は次のとおりです。

ゲイン・キャリブレーション係数。

内部リファレンス容量(CREF)は、AD7746 の許容フル・レンジ入力容量とゲイン・キャリブレーション係数(FGAIN_CAL)の積と定義できるため、CREF の値は式 7 を用いて計算することができます。

CREFの値を計算するための式。

AD7746は、フル・レンジ CAP-DAC容量(CCAPDAC)と内部リファレンス容量の比率が 3.2 となるように設計されています。したがって、CAPDAC のフル・レンジは式 8 を用いて計算することができます。

CAPDACのフル・レンジを計算するために用いる式。

この例では、CCAPDACは次のとおりです。

CCAPDAC = 4.096pF × 1.002 × 3.2 = 13.13pF

1LSBの容量は式9を用いて計算することができます。

1LSBの容量を計算するための式。

この例では、CLSB_CAPDACは次のとおりです。

式

範囲拡張回路は、センシング容量内の電荷移動が AD7746 の入力範囲内に収まるようにします。CAPDAC が CIN1±またはCIN2±入力のセンシング容量から電荷を受け取ると、測定される容量が減少します。この測定される容量(CDAC_EFF)は、センサーのバルク容量を補正するために使用されます。1LSB のCAPDAC 容量は、センシング容量に対する補正を表すもので、式 10 を用いて計算することができます。

式

この例では、CDAC_EFFは次のとおりです。

式

必要なCAPDAC設定は、式11を用いて計算することができます。

必要なCAPDAC設定を計算するための式。

ここで、各記号の意味は次のとおりです。
DAC_SET:7ビットのデジタル・コードDAC値
CSENSOR:範囲を拡張する必要がある基本容量
CSENSOR:±ダイナミック・レンジの範囲を持つミッドスケール・レンジになります。

結果の入力容量範囲は、CSENSOR ± ダイナミック・レンジとなります。

結果の入力容量範囲は、CSENSOR ± ダイナミック・レンジとなります。

ここで、0×26 は 7 ビットの DAC 値(0010 0110)です。

8 番目のビットは、DACAENA ビットで、1 に設定にして有効にし、CAPDACA を容量入力に接続する必要があります。結果のバイトは 1010 0110 で、これは 16 進数値の 0×A6 に相当します。これを 47pF ミッドスケール・レンジ値として CAPDAC Aレジスタ(0×B)に書き込むことができます。

したがって、新しい拡張された入力範囲は(47pF ± 50pF) ≈ −3~97pF となります。

システム性能

図 7 に、アナログ入力(CIN ピンおよび EXC ピン)に外付けコンデンサが接続されていない、11ms の変換時間(91sps)モードにした CN0552 CDC から得られた代表的なノイズ・ヒストグラムを示しています。10 個の異なるデータ・セットから得られた平均 RMS ノイズ値は 85.4aF でした。


図 7. AD7746 のノイズ、11ms の変換時間モード
図 7. AD7746 のノイズ、11ms の変換時間モード

バリエーション回路

EVAL-CN0552-PMDZ には、デュアル入力チャンネル CDC である AD7746 が使用されています。シングル入力チャンネルのみが必要な場合は、AD7745 を使用することができます。いずれのチップもフローティング容量センサー向けに設計されています。

1 つのプレートがグラウンドに接続されている容量センサーには、AD7747 を推奨します。

回路の評価とテスト

テストの開始にあたって


ここでは、CN0552 を使用した容量性材料をテストおよび測定するためのセットアップと手順について説明します。詳細については、CN0552 のユーザ・ガイドを参照してください。

図 8. EVAL-CN0552-PMDZ の上面図
図 8. EVAL-CN0552-PMDZ の上面図

必要な装置


  • EVAL-CN0552-PMDZ リファレンス設計ボード
  • EVAL-ADICUP3029 開発ボード
  • ADuCM3029_demo_cn0552.hex ファイル
  • 2つの2pFコンデンサ
  • micro-USB − USB-A ケーブル
  • USB ポートを備えた PC/ラップトップ
  • PC/ラップトップにインストールされた IIO Oscilloscope アプリケーション・プログラム

機能ブロック図


CN-0552 のテスト・セットアップの機能ブロック図を図 9 に示します。


図 9. テスト・セットアップの機能図
図 9. テスト・セットアップの機能図

セットアップとテスト


ボードのテストは以下の手順で行います。

  1. EVAL-CN0552-PMDZ を EVAL-ADICUP3029 のメス端子ブロック(P9)に接続します。図 10 を参照してください。

  2. 図 10. EVAL-ADICUP3029 に接続された EVAL-CN0552-PMDZ
    図 10. EVAL-ADICUP3029 に接続された EVAL-CN0552-PMDZ
     
  3. USB-A コネクタを PC に、micro-USB コネクタを EVALADICUP3029 に差し込みます。
  4. aducm3029_demo_cn0552.hex ファームウェアで EVALADICUP309 をフラッシュします
  5. 2 つの 2pF コンデンサを用意して、1 つ目のコンデンサをEXCA ピンと CIN(+)ピンに、2 つ目のコンデンサを EXCBピンと CIN(−)ピンに接続します。
  6. EVAL-ADICUP3029 のリセット・ボタンを押します。
  7. IIO Oscilloscope アプリケーションを開きます。お使いのデバイスに応じて、シリアル・コンテキストを設定します。[Refresh]ボタンを押し、「ad7746」が表示されたら、[Connect]を押します。図 11 を参照してください。

  8. 図 11. [IIO Oscillocope Connection]パネル
    図 11. [IIO Oscillocope Connection]パネル
     
  9.  図 12 に示したように、[DMM]タブの[Device]ブロックで「ad7746」を選択し、[All Channels]ボタンを押してすべての部品属性を表示し、[Play]ボタンを押します。

  10. 図 12. IIO Oscilloscope の[DMM]タブ
    図 12. IIO Oscilloscope の[DMM]タブ

製品サンプル

評価用ボード

表示されている価格は、1個あたりの価格です。

analog.comサイトから購入できるボードは、最大で2枚までとなります。3枚以上の購入をご希望の場合は、正規販売代理店からご購入ください。

価格は1個当たりの米ドルで、米国内における販売価格(FOB)で表示されておりますので、予算のためにのみご使用いただけます。 また、その価格は変更されることがあります。米国以外のお客様への価格は、輸送費、各国の税金、手数料、為替レートにより決定されます。価格・納期等の詳細情報については、弊社正規販売代理店または担当営業にお問い合わせください。なお、 評価用ボードおよび評価用キットの表示価格は1個構成としての価格です。