我心中的ADI年度“贺岁片”——电容传感器的福音AD7746 by lark100
我心中的ADI年度“贺岁片”——电容传感器的福音AD7746
随着物联网的广泛应用，各种传感器技术风升水起，电容传感器就是其中之一。电容式传感器利用电容器的原理，以各种类型的电容器作为传感原件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。通过相应的外接检测电路可将这种电容的变化转换成电压、数字、频率等便于测量的电信号变化，根据输出电信号的变化来获得被测物的信息。
电容式传感器一般分为三种：变极距式、变面积式和变介质式。电容式传感器具有结构简单、测量范围大、体积小、灵敏度高、动态响应快、适应性强、低成本、低功耗等诸多优越性得到广泛应用，已经被应用于精密机械加工、角度测量、微加速度测量、压力检测、位置检测、杂质检测、湿度检测和液位测量等方面。
检测电容传感器的电荷变化的困难在于实现高性能、低成本的电容输入的信号处理前端。传统的电容检测电路多由分立元件实现，其主要的技术要求有实时性能好、能够抗杂散电容、能测量较大动态范围、有较好的测量线性度和低漂移等。诸如基于充/放电原理、AC 电桥原理、交流锁相放大原理、电荷放大原理等各种电容测量电路被研究。这些传统的电容测量电路，或者方法简单，达不到高的精度要求，或者电路复杂，需要的器件数量多。而且如果需要数字输出必须再用一个高精度 ADC 把该电压转换成数字信号，这样电路设计复杂、仿真评估冗长、系统测试困难。ADI 公司将先进的信号处理技术和高集成度制造工艺相结合，从而以单芯片实现了以前需要大量分立元件和传统模拟数字转换器才能达到的精度水平，并且相比传统的多芯片解决方案，大大降低了成本和功耗，从而解决了从电容到数字直接转换的复杂性而困难的信号处理问题，非常适用于工业、医疗仪器以及自动控制传感器。ADI 公司推出了世界上首款高精度、完全集成的电容数字转换器（CDC），它在一颗芯片上集成了电容到数字转换的所有电路，分辨率达到aF量级，大大降低了设计难度和外部元件成本，从而根除了传统电容传感器的限制，解决了从电容到数字直接转换的复杂的信号处理难题。
专用集成电容检测芯片相对于传统的分立元件的优势在于整体系统结构简单，抗干扰能力强，精度高而逐渐取代传统检测电路。目前应用较多的集成检测电路主要有两类：
1、C/V转换集成芯片，常用的芯片有美国Micro Sensors公司生产的MS3110，瑞士XEMICS公司生产的XE2004，其特点是可编程且低功耗，以及德国AMG公司生产的CAV424 系列其特点是高精度，但速度较慢。
2、CDC（Capacitance to Digital Converter）电容数字转换芯片，该芯片是基于 CDC技术的新型电容数字量转换芯片。这种芯片的特点是高精度，高分辨率，宽输入范围。主要有美国AD公司生产的 AD7745、AD7746、AD7747 及AD7142 系列。（注：CDC技术原理是通过Σ-Δ的技术，用高精度的AD转换器，转换切换片上固定的电容，得出被测电容与参考电容的比值，再通过积分运算使得电路具有较强的噪声抑制能力、同时保持精度不降低，但成本却大幅下降，具有较广泛的实用性。）
这里主要推荐AD7746。AD7746是电容/数字转换器（CDC），包含一个24位Σ-Δ调制器、多路复用器、激励源发生器、精密电压源、时钟发生器、数字滤波器、I2C串行通信接口、片内校正控制寄存器、温度传感器等。
1、 AD7746 的基本工作原理
AD7746利用开关电容技术构建电荷平衡电路来测量电容。被测电容Cx连接在EXCA/EXCB（CDC方波激励输出）和CIN+（Σ-Δ调制器输入）之间，在一个转换周期内，当一个方波激励信号加于被测电容Cx上，24位Σ-Δ调制器连续采样经过Cx的电荷，后经数字滤波器处理和校正，最后通过I2C接口将数据读出。
2、 AD7746的性能
AD7746是高分辨率电容数字转换器，可直接与电容传感器的电容连接进行测量。该芯片还具有高分辨率（24位无失真码、最高21位有效分辨率）、高线性度（±0.01%）和高精度（±4fF工厂校准）等固有特性。AD7746的电容输入范围是±4pF (可变），同时可接受最大17pF共模电容（不可变），后者可以通过一个可编程片内数字电容转换器（CAPDAC）来平衡。
AD7746 有两个电容传感器输入通道，每个通道都可以配置为单端或差分输入，可灵活应用于电容传感器。芯片内部有一个片上温度传感器，分辨率为0.1°C，精度为±2°C。片上集成低噪声、低漂移精密基准电压源和时钟发生器，无需任何外部元件即可应用于电容传感器。片上集成多路复用器（MUX），校准寄存器和电容式传感的激励源。两路电容输入、两路电压输入和内部的温度传感器通过多路复用器共用一个Σ-Δ调制器。两路激励电压EXCA、EXCB的幅度和相位可以通过内部寄存器设置。通过I2C接口可以实现CDC内部寄存器的配置及内部转换结果的读取。软件设置芯片的输出数据更新频率为 10 Hz ~ 90 Hz。当以16Hz输出更新频率工作时，可以同时抑制50Hz和60Hz的信号。
该芯片具有一个标准的电压输入，连同差分基准电压输入，允许简单接口的外部温度传感器，如RTD，热敏电阻器，或二极管。芯片内置I2C串行通讯接口，单电源供电，供电电压为2.7V~5.25V，消耗电流不大于850uA，适合低功耗应用。封装采用TSSOP16，适合要求小尺寸的应用。工作环境温度范围为-40 °C ~+125 °C，有较强的适应性和抗干扰能力。
AD7746 内部共有19个8位寄存器。前7个为只读型：第1个为转换状态寄存器，后面6个用于存放电容和温度/电压的转换值；后12个寄存器的功能依次是：电容设置、温度/电压设置、激励源EXC 设置、转换/更新速率配置、电容偏移量设置、电容偏置校准以及电容/电压增益校准。每一个寄存器都有自己特定的地址，如果想对某可写寄存器进行参数修改，只需根据它的地址进行写操作，将待修改的数值写进去即可。通过对电容设置寄存器进行配置，可以有效确定电容的工作通道和工作模式。电容设置寄存器默认值为0x00，将CIN1置1，可以启动电容第2通道，为0时，只能使用第1通道。工作模式主要有单端输入模式和差分输入模式，模式的切换主要是通过I2C设置电容设置寄存器中CAPDIFF的值来实现，如果外接电容工作于差分模式，CAPDIFF必须置为1，单端输入模式下工作，CAPDIFF=0。如果CAPCHOP=1， 可以使电容通道的转换时间变为原来的两倍，但通道噪声会相应提高。AD7746 内部具有可编程的偏移量设置寄存器，偏移量为-1pF～1pF，分辨率32aF。CAPDAC寄存器可用来补偿传感器元件的大电容，满量程最小值为17pF，典型值为21pF，需要注意，对于给定的CAPDAC寄存器设置，电容可能会因传感器的不同而有很大的差别。从电容、温度/电压寄存器读出的数字代码与电容、温度/电压都具有一定的关系，二者可进行换算。
3、 AD7746的特点
1）具有高精度高集成度的特点。其特性满足对微小电容的检测要求。可以直接和容性传感器相连，测量电容时不再需要外部相关电路，被测电容直接连在芯片引脚上，完成电容/数字量转换。
2）能够抑制杂散电容。其中，电容输入端CIN 可以接受的最大对地电容为 60pF，激励端EXC可承受的对地电容高达100pF。若杂散电容值超过允许的输入范围，将会给电容测量带来一定的误差。
3）通过设置CAPDAC模块，可以实现耦合电容的软件补偿功能。通过实验标定的耦合电容值，在测量过程中，针对不同的极板对，选择相应补偿值，使得到的的测量结果更为准确，保证测量精度。
4）自带数字滤波器，通过控制寄存器实现编程，允许调整滤波器的截止频率和输出更新速率，可以更好的获得电容测量数据。
5）具有理想的I2C串行接口，可实现与微控制器或 DSP 处理器的直接连接，接线的数量减少。
6）通过输入电容扩展电路和软件编程，可改变此转换器的输入量程范围，目前能到150pF±50pF见应用文档（CN0129）。（这一点很重要。我刚开始看到该芯片的datasheet时，发现基电容和可变电容范围不满足项目要求，用不了。后看到该扩展输入电容的文档才决定应用的）http://www.analog.com/static/imported-files/zh/circuit_notes/CN0129.pdf
7）适用于小体积和低功耗应用。广泛应用于汽车、工业、医疗设备上的压力测量和位置探测，还可应用于流量、液面、湿度和不纯度检测等方面。
