先進(jìn)的阻抗與電容測量轉(zhuǎn)換器

本次在線座談主要介紹了adi先進(jìn)的阻抗與電容測量轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用。本文包括兩部分內(nèi)容：第一部分主要討論阻抗轉(zhuǎn)換器，第二部分主要討論電容轉(zhuǎn)換器。在這兩部分中，我們先回顧電阻和電容測量方法的主要特點，然后介紹adi針對這兩種應(yīng)用推出的先進(jìn)的阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換器及電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器。

一.阻抗轉(zhuǎn)換器

阻抗定義

現(xiàn)實世界的電路元件很復(fù)雜，除表現(xiàn)出電阻特性外，還會表現(xiàn)出電容特性和電感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一個通用概念，它不僅考慮了元件在特定頻率條件下的阻值，還考慮了在此頻率下的相位關(guān)系。
通過測量一系列頻點下的阻抗，可以獲取有關(guān)待測元件的特性。這是阻抗頻譜法的基礎(chǔ)，也是許多工業(yè)、儀器儀表和汽車傳感器應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

阻抗頻譜法阻抗頻譜法利用了電阻器、電感器和電容器所表現(xiàn)出來的不同頻率特性。理想電阻器對所有頻率都具有恒定的阻抗，理想電感器的阻抗會隨頻率增高而增大，理想電容器的阻抗會隨頻率增高而減小。
通過對未知元件進(jìn)行掃頻，如對一個化學(xué)傳感器考察其阻抗與頻率的關(guān)系，便可以確定它是阻性元件、感性元件還是容性元件。通常產(chǎn)生的響應(yīng)信號的實部和虛部系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。

2.采用阻抗頻譜法定量地測量待測元件的實際阻抗參數(shù)。在這種情況下，需要建立一個等效電路模型來模擬待測元件。這種待測元件通常是一種電化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)象，所以需要根據(jù)測量到的阻抗特征調(diào)整該等效電路以便使其與測量數(shù)據(jù)最佳匹配。采用這種方法可以對特定待測物進(jìn)行分析。

阻抗頻譜法的重要應(yīng)用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系統(tǒng)

圖2給出了典型的阻抗分析系統(tǒng)的簡化功能框圖。頻率激勵由dds產(chǎn)生，dds的輸出頻率在施加于未知阻抗之前通常要經(jīng)過濾波和放大。利用adc對未知阻抗前、后的波形分別進(jìn)行采樣，然后送入dsp做進(jìn)一步處理。這種簡單的功能框圖掩蓋了幾個基本問題。第一個問題，adc必須對信號在所有頻率范圍內(nèi)進(jìn)行同步采樣，這樣才能比較激勵波形和響應(yīng)波形以便獲得相位信息。對此過程的優(yōu)化是提高系統(tǒng)總性能的關(guān)鍵。第二個問題，因為采用了大量的分立元件，所以元件誤差和溫度漂移以及附加的噪聲都會對測量精度產(chǎn)生不利的影響，尤其是在小信號工作的條件下。除了元件選擇和pcb尺寸問題，大量分立元件還會給誤差分析帶來計算困難。

該器件的關(guān)鍵特點之一是它能做離散傅氏變換（dft），將每個掃頻點的實部和虛部值都提供給用戶。使用這些值就可以方便地計算出響應(yīng)信號的幅度和相對相位信息。其工作原理是，首先將頻率施加在未知的阻抗上，該阻抗可以是阻性、容性、感性或者幾種的組合。用戶需要外接反饋電阻來防止響應(yīng)信號超過adc的量程并且保證系統(tǒng)的線性特性。通過電阻選擇，可以測量從100 ～10 m 的阻抗，并且測量精度可達(dá)到0.5%。adc的輸出會送到片內(nèi)dft模塊進(jìn)行數(shù)字處理，以便提取出其實部和虛部。因有評估軟件支持，允許將外部阻抗連接到評估板，所以很容易生成阻抗與頻率的關(guān)系曲線。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

單電極電容傳感器的缺點

1)需要從傳感器到地的虛擬電容耦合。

2)信號測量路徑中存在寄生電容，所以會導(dǎo)致不可重復(fù)和無法預(yù)知的測量結(jié)果。

3)無法增加附加的輸入保護(hù)電路。

雙電極電容傳感器的優(yōu)點

1)它不依賴于電容對地耦合。

2)它對寄生電容不敏感，意味著它只將信號電荷傳遞給轉(zhuǎn)換器。這樣就可以實現(xiàn)可預(yù)知的性能和簡單得多的設(shè)計。

3)設(shè)計工程師可以根據(jù)需要增加附加的輸入保護(hù)電路。

電容測量方法

傳統(tǒng)地，檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一般說來，電容的測量需要對電容器電極施加一個激勵源。然后將電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率或者脈沖寬度的變化。

典型的電容測量方法包括：

a.“直接”方法，首先按照規(guī)定的時間長度用特定的電流源對待測電容器充電，然后測量該電容器兩端的電壓。這種方法需要小電流、高精密電流源和高輸入阻抗才能測量出電壓。

b.首先用待測的電容器構(gòu)成一個rc振蕩器，然后測量時間常數(shù)、頻率或周期。這種方法很簡單，但是通常不能達(dá)到高精度。

c.測量待測電容器的交流（ac）阻抗。用一個正弦波信號源激勵該電容器，然后測量該電容器的電流和電壓。使用四線制連接到該電容器，使用比例測量方法，用一個同步解調(diào)器提供最精確的結(jié)果。但是，這種電路非常復(fù)雜而且需要的器件數(shù)量多。

∑-δadc

a.∑-δ體系架構(gòu)

∑-δ是一種成熟的技術(shù)，許多年來一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能adc 。圖3給出了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單芯片 - adc的簡化體系結(jié)構(gòu)。電容器的cin和cref周期性地切換到電壓輸入vin和參考輸入vref，它們將電荷存儲到積分器cint中。比較器檢測積分器的輸出并控制輸入開關(guān)的相位以構(gòu)成閉環(huán)反饋環(huán)路，從而它使通過電壓輸入路徑和參考輸入路徑的電荷流動保持平衡。所有閉環(huán)反饋環(huán)路系統(tǒng)的目的都是為了達(dá)到平衡，或者換句話說是實現(xiàn)零誤差。這就是∑-δ adc要盡力實現(xiàn)的目標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)的∑-δadc通過在芯片內(nèi)的固定電容器和外界輸入之間切換實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。如果電荷與電壓和電容都成正比，在這種情況下既然電容是變化的，那么為什么不使用固定的電壓來代替固定的電容？

基于此提出了改進(jìn)的∑-δadc電路。固定輸入電壓可以看作電壓激勵源，被移至芯片外的可變電容器可以看作一個電容傳感器。結(jié)果，輸出數(shù)據(jù)將表示傳感器電容相對cref變化的比率。輸入端的電荷是不變電容和可變電容之和。其中，要測量的電容是可變電容。通過芯片內(nèi)的capdac（這里沒有示出），可從電荷反饋環(huán)路中減去由不變電容產(chǎn)生的電荷。

∑-δadc電路上述創(chuàng)新的思想允許電容傳感器與∑-δadc直接連接，它具有高分辨率、高精度和高線性度等固有特點。在實際使用本電路體系結(jié)構(gòu)時還有以下兩個特點：

a.其接口對傳感器節(jié)點與地之間的電容以及對地的漏電流都不敏感，這兩點根據(jù)實際電路都會引起特定的限制。

b.完整的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以在單芯片中實現(xiàn)，因此具有高集成度、系統(tǒng)容易實現(xiàn)、高可重復(fù)性和高可靠性的特點，最后并且很重要的一點就是顯著降低了系統(tǒng)成本。

電容傳感器應(yīng)用實例

電容傳感器的一個典型應(yīng)用是壓力檢測，下面以此為例介紹電容傳感器的具體應(yīng)用。 壓力傳感器的電路圖主要由兩個電容極板構(gòu)成，見圖4。當(dāng)對傳感器施加壓力時，電容極板就會互相靠近。這就有效地減小了兩極板之間的距離‘d’，從而增大了電容。可以采用一個溫度傳感器來檢測傳感器溫度的變化，因為其特性會隨溫度而變化。cdc的一個adc電壓通道用于周期性地測量溫度。壓力傳感器在工業(yè)、汽車和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。

該器件在 40～＋125℃的溫度范圍內(nèi)能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，最大功耗電流僅為850 a，具有一個i2c接口，采用16引腳tssop封裝。首批cdc系列產(chǎn)品有三款器件，分別是ad7745，ad7746和ad7747。

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