先進(jìn)的阻抗與電容測(cè)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(cè)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(cè)量方法的主要特點(diǎn)，然后介紹adi針對(duì)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(shí)世界的電路元件很復(fù)雜，除表現(xiàn)出電阻特性外，還會(huì)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(gè)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(guò)測(cè)量一系列頻點(diǎn)下的阻抗，可以獲取有關(guān)待測(cè)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(chē)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(lái)的不同頻率特性。理想電阻器對(duì)所有頻率都具有恒定的阻抗，理想電感器的阻抗會(huì)隨頻率增高而增大，理想電容器的阻抗會(huì)隨頻率增高而減小。
通過(guò)對(duì)未知元件進(jìn)行掃頻，如對(duì)一個(gè)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(hào)的實(shí)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(cè)量待測(cè)元件的實(shí)際阻抗參數(shù)。在這種情況下，需要建立一個(gè)等效電路模型來(lái)模擬待測(cè)元件。這種待測(cè)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(cè)量到的阻抗特征調(diào)整該等效電路以便使其與測(cè)量數(shù)據(jù)最佳匹配。采用這種方法可以對(duì)特定待測(cè)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(jiǎn)化功能框圖。頻率激勵(lì)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(guò)濾波和放大。利用adc對(duì)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(jiǎn)單的功能框圖掩蓋了幾個(gè)基本問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題，adc必須對(duì)信號(hào)在所有頻率范圍內(nèi)進(jìn)行同步采樣，這樣才能比較激勵(lì)波形和響應(yīng)波形以便獲得相位信息。對(duì)此過(guò)程的優(yōu)化是提高系統(tǒng)總性能的關(guān)鍵。第二個(gè)問(wèn)題，因?yàn)椴捎昧舜罅康姆至⒃?，所以元件誤差和溫度漂移以及附加的噪聲都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不利的影響，尤其是在小信號(hào)工作的條件下。除了元件選擇和pcb尺寸問(wèn)題，大量分立元件還會(huì)給誤差分析帶來(lái)計(jì)算困難。

該器件的關(guān)鍵特點(diǎn)之一是它能做離散傅氏變換（dft），將每個(gè)掃頻點(diǎn)的實(shí)部和虛部值都提供給用戶。使用這些值就可以方便地計(jì)算出響應(yīng)信號(hào)的幅度和相對(duì)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(lái)防止響應(yīng)信號(hào)超過(guò)adc的量程并且保證系統(tǒng)的線性特性。通過(guò)電阻選擇，可以測(cè)量從100 ～10 m 的阻抗，并且測(cè)量精度可達(dá)到0.5%。adc的輸出會(huì)送到片內(nèi)dft模塊進(jìn)行數(shù)字處理，以便提取出其實(shí)部和虛部。因有評(píng)估軟件支持，允許將外部阻抗連接到評(píng)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(diǎn)

1)需要從傳感器到地的虛擬電容耦合。

2)信號(hào)測(cè)量路徑中存在寄生電容，所以會(huì)導(dǎo)致不可重復(fù)和無(wú)法預(yù)知的測(cè)量結(jié)果。

3)無(wú)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(diǎn)

1)它不依賴于電容對(duì)地耦合。

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

3)設(shè)計(jì)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(cè)量方法

傳統(tǒng)地，檢測(cè)電容傳感器的電荷變化的困難在于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號(hào)處理前端。一般說(shuō)來(lái)，電容的測(cè)量需要對(duì)電容器電極施加一個(gè)激勵(lì)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(cè)量方法包括：

a.“直接”方法，首先按照規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度用特定的電流源對(duì)待測(cè)電容器充電，然后測(cè)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(cè)量出電壓。

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

c.測(cè)量待測(cè)電容器的交流（ac）阻抗。用一個(gè)正弦波信號(hào)源激勵(lì)該電容器，然后測(cè)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(cè)量方法，用一個(gè)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(lái)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(jiǎn)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(chǔ)到積分器cint中。比較器檢測(cè)積分器的輸出并控制輸入開(kāi)關(guān)的相位以構(gòu)成閉環(huán)反饋環(huán)路，從而它使通過(guò)電壓輸入路徑和參考輸入路徑的電荷流動(dòng)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(shuō)是實(shí)現(xiàn)零誤差。這就是∑-δ adc要盡力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)的∑-δadc通過(guò)在芯片內(nèi)的固定電容器和外界輸入之間切換實(shí)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(lái)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(lì)源，被移至芯片外的可變電容器可以看作一個(gè)電容傳感器。結(jié)果，輸出數(shù)據(jù)將表示傳感器電容相對(duì)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(cè)量的電容是可變電容。通過(guò)芯片內(nèi)的capdac（這里沒(méi)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(diǎn)。在實(shí)際使用本電路體系結(jié)構(gòu)時(shí)還有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

a.其接口對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)與地之間的電容以及對(duì)地的漏電流都不敏感，這兩點(diǎn)根據(jù)實(shí)際電路都會(huì)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(shí)現(xiàn)，因此具有高集成度、系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)、高可重復(fù)性和高可靠性的特點(diǎn)，最后并且很重要的一點(diǎn)就是顯著降低了系統(tǒng)成本。

電容傳感器應(yīng)用實(shí)例

電容傳感器的一個(gè)典型應(yīng)用是壓力檢測(cè)，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(gè)電容極板構(gòu)成，見(jiàn)圖4。當(dāng)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，電容極板就會(huì)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?？梢圆捎靡粋€(gè)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)傳感器溫度的變化，因?yàn)槠涮匦詴?huì)隨溫度而變化。cdc的一個(gè)adc電壓通道用于周期性地測(cè)量溫度。壓力傳感器在工業(yè)、汽車(chē)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(gè)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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