- 电路评估板
CN-0552电路评估板(EVAL-CN0552-PMDZ)
ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸开发板(EVAL-ADICUP3029)
- 文件的设计与集成
- 原理图、布局文件、材料清单、装配图、软件
液位监测、压力测量、位置检测、流量计、湿度检测等各种工业应用广泛使用电容传感器。ΣΔ (Sigma-Delta)电容数字转换器(CDC)用方波激励未知电容器，将产生的电荷转换为单比特数字输出码流。然后，用数字滤波器处理比特流，输出精确的低噪声电容测量值。
图1中显示的电路来自24位电容数字转换器(CDC)，默认情况下，CDC满量程输入范围为±4.096 pF，最大体电容为17pF，但满量程输入范围可以扩展到±50 pF，将最大体电容扩展到200pF。输出数据的速率可能是9.1 sps调节到90.9 sps，在16.1 sps在设置速率下提供50Hz和60Hz高度抑制电力线噪声。CDC还提供0分辨率.1°C、精度为±2°C实施温度补偿和系统校准。
CN0552兼容I2C Pmod有2个平台板.7 V至5.5 V I/O电压。
图1.CN0552功能框图
ADI公司的Circuits from the Lab?电路由ADI工程师设计结构。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范，电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。但是，您需要自行测试电路，并确定是否适用于您。因而，ADI公司将不对任何直接、间接、特殊、偶然、不可避免或惩罚性损害造成的任何原因或连接到任何参考电路。
电路描述
电容数字转换
图1所示电路的核心是AD7746，是一款24位Σ-Δ电容数字转换器(CDC)，具有I2C串行通信接口提供高分辨率(24位无失码，最高21位有效分辨率)和高线性(±0.01 %)和高精度（±4 fF工厂校准)电容测量。它包括二阶调制器和三阶数字滤波器。施加方波激励信号CXn在调制器的一端，调制器通过相应的方式连续对齐CINn采样引脚电荷。调制器滤波器处理，按比例缩放调制器输出，并采用工厂校准系数，最终结果通过串行接口读取。
(电容器在电路中起着很大的作用，那么我们在哪里可以找到好的电容器呢？在锐单商城寻找元器件现货^-^）
AD7746电容输入范围±4.096 pF（改变）。它可以接受最高17 pF可编程片上的数字电容转换器可以通过共模电容(不会改变)(CAPDAC)可用于平衡AD8515扩展至±50 pF输入范围(变化)，AD作为增益缓冲器，8515是一种轨到轨操作放大器，为传感器提供驱动信号。
如图2所示，AD7746有两个电容输入通道(每个可配置为单端或差异通道)，以及板载温度传感器和辅助电压输入通道。 AD7746是为浮地容性传感器设计的。因此，两者CX极板必须与地面隔离。
图2.AD7746功能框图
两个激励引脚EXCA和EXCB它们都可以独立编程。它们具有相同的功能，因此可以使用任何一个来实现电容传感器激励，但建议使用单独的激励引脚来测量每个电容通道。
CAPDAC操作
AD7746包括两个电容数模转换器或CAPDAC，如图3所示。CAPDAC可以理解为内部连接CIN引脚负电容。
大电容器可用于改变输入范围，补偿传感器元件。CAPDAC7位分辨率，全输出21pF ± 例如，假设传感器有17%pF大电容器。所需的电容器可以按以下公式计算CAPDAC设置：
有两个独立的CAPDAC。一个连接到CIN( )引脚，第二个连接CIN(-)引脚，但两个电容通道共用同一个CAPDAC。如公式1所示：
图3.AD7746 CAPDAC
典型的电容测量设置要求AD7746的CIN和EXC容性材料在引脚之间连接。默认情况下，标称输入范围为±4.096 pF，根据CAPDAC中间值可能会改变设置值。单端模式或差分模式有两种测量模式。是使用单端模式，还是使用差分模式作为输入转换模式，取决于要测量的电容类型。例如，塑料包装的浮地湿度传感器可以被视为单端电容器，因为它具有非常低的自电容器AD7746将其视为共模组件。相反，接地不锈钢包装的电容压力传感器的共模电容可能高于差异电容。由于差分电容可以代表传感器输出，因此在转换过程中必须至少消除部分共模电容。
在单端转换模式下，必须从内部断开AD7746的CIN(-)通过写入引脚的连接CAP_SETUP_REGISTER，并将CAPDIFF位置设置等于0。图4显示单端转换配置的基本连接图。
图4.AD7746单端输入模式
在此配置下，CDC可以测量±4 pF范围内的输入电容。表1显示如何使用CAPDAC改变大电容输入范围(CX1)实现整个值± 4pF测量范围。
表1.采用CAPDAC值时的AD7746单端电容输入范围
使用差分转换模式时，AD7746测量CIN( )和CIN(-)电容输入之间的差值。通过写入CAP_SETUP_REGISTER并将CAPDIFF位置设置等于1。图5显示差分转换的基本连接图。
图5.AD7746差分输入模式
在不使用CAPDAC的情况下，EXC和CIN引脚之间的两个输入电容CX和CY必须小于4 pF，或必须小于21 pF并由CAPDAC进行平衡。通过CAPDAC平衡意味着CX–CAPDAC( )和CY–CAPDAC(–)都小于4 pF。如果EXC和CIN引脚之间的不平衡电容大于4 pF，则CDC会引入增益误差、失衡误差和非线性误差。只要CX–CAPDAC( )和CY–CAPDAC(–)始终低于4 pF，然后可以使用几种输入范围组合。表2显示了几个范围。
表2.采用CAPDAC值时的AD7746差分电容输入范围
图6显示扩展AD7746电容数字转换器电容输入范围所需的电路。扩展范围设置测量AD7746 CIN引脚和AD8515输出之间的电容值。AD8515运算放大器也是电路中的低阻抗源，以确保AD传感电容器在7746开始采样时完全充电。
图6.输入范围扩展电路
AD7746 CDC使用公式2所示的电荷、电容和电压表示方法，利用开关电容技术构建电荷平衡电路。
其中：Q为电荷，V是电压，C是电容。因此，转换结果表示输入电容与内部基准电容之间的比值。激励电压和内部基准电压是已知的固定值。
输入范围扩展电路确保输入电容器中的电荷转移始终存在AD输入范围内的7746。为了扩大输入范围，需要按比例降低激励电压，以增加与输入端相连的输入电容。AD7746有两个独立的激励电压源EXCA和EXCB，为了扩大输入范围，必须设置激励源EXCB与EXCA反相。图6所示的电阻（R1和R2)用于计算范围扩展因数(使用公式3)。
其中：
F表示范围扩展因数
VEXC(A?B)表示激励源之间的电压
VEXCS表示衰减电压(约为VDD/2）
R1和R2表示电阻值
为了计算扩展因数，用户必须首先确定哪些传感器参数是帮助实现所需范围扩展的主要因素：大电容器或动态范围。假设一个典型的相对湿度传感器是150 pF ±50 pF，坡度为0.25 pF/% RH。传感器的大电容可能高达200 pF，因此，所需范围扩展因数为：
其中：
FFIX表示范围扩展因数
200 pF是传感器的最大电容
17 pF是CAPDAC可接受的最大电容（在正常范围设置中）
可以使用以下公式，利用传感器坡度(pF / %RH)和满量程输入范围计算传感器(CDYN)的动态范围：
该动态范围(FDYN)所需的范围扩展因数计算如下：
所以，该传感器的大电容确定了范围扩展因数，应设置为11.76。
R1和R2电阻值选择
选择R1值为100 kΩ。在以下公式中，计算R2的电阻值，并将其向下舍入为标准E96系列电阻中的下一值，这个公式是对公式3重新排列，以求解R2的值。注意，任一电阻（R1或R2）值的小幅变化都可导致范围扩展因数的大幅变化。
因此，
电阻值（R1为100 kΩ，R2为118 kΩ）被用于使用公式3来计算具体的范围扩展因数：
因此，可以使用公式5计算动态电容输入范围：
，或约为±50 pF。
AD7746包含CAPDAC，可用于补偿传感器元件的大电容。对于AD7746，CAPDAC的满量程最小值为17 pF，典型值为21 pF。因此，对于给定的CAPDAC设置，电容可能会因器件不同而有很大差别。其原因在于，AD7746片内电容可能会随各批次所采用的生产工艺不同而有所变化。不过，片内电容之间的比率变化非常小。
AD7746电容输入经过出厂校准，增益校准(GAIN_CAL)存储在电容增益校准寄存器(0xF)中。存储在电容增益校准寄存器中的校准因数可以通过公式6计算得出：
其中：
FGAIN_CAL表示增益校准因数
GAIN_CAL表示数字码值，存储在电容增益校准寄存器(0xF)中
考虑采用出厂编程值0x69（十六进制）或105（十进制）的特定器件。增益校准因数为：
内部基准电压源电容(CREF)可定义为AD7746的允许满量程输入电容与增益校准因数(FGAIN_CAL)的乘积，CREF的值可使用公式7计算得出：
设计AD7746时，保证满量程CAPDAC电容(CCAPDAC)与内部基准电压源电容之间的比值为3.2。所以，CAPDAC的满量程可以使用公式8计算得出：
在本例中，CCAPDAC为：
1LSB的电容可以使用公式9计算得出：
在本例中，CLSB_CAPDAC为：
范围扩展电路确保检测电容内的电荷转移始终在AD7746的输入范围内。当CAPDAC从CIN1±或CIN2±输入端的检测电容中获取电荷时，被检测的电容下降。这个被检测电容(CDAC_EFF)用于补偿传感器的大电容。CAPDAC电容的1个LSB表示对检测电容的补偿，使用公式10进行计算：
在本例中，CDAC_EFF为：
所需的CAPDAC设置可以使用公式11计算得出：
其中：
DAC_SET表示7位数字码DAC值
CSENSOR表示需要范围扩展的基本电容。
CSENSOR表示中等范围，具有±动态范围的幅值
得出的输入电容范围为CSENSOR ±动态范围。
其中0x26是一个7位DAC值(0010 0110)
第8位是DACAENA位，需要使能，设置为1，以将CAPDACA连接到电容输入。产生的字节是1010 0110，这相当于0xA6十六进制值，该值可以写入到CAPDAC A寄存器(0xB)中，以得出47 pF中等范围值。
所以，新扩展输入范围为(47 pF ± 50 pF) ≈ -3 pF至97pF。
图7显示在11ms转换时间(91sps)模式下，没有外部电容连接到模拟输入（CIN和EXC引脚）的CN0552 CDC的典型噪声直方图。根据10个不同的给定数据集，得出所需的平均RMS噪声值为85.4 aF。
图7.AD7746噪声，11ms转换时间模式
EVAL-CN0552-PMDZ使用双输入通道CDC AD7746。如果只需单个输入通道，可使用AD7745。两款芯片均针对浮地电容传感器而设计。
若需一块极板接地的电容传感器，推荐使用AD7747 。
本节介绍使用CN-0552测试和测量电容材料的设置和步骤。有关更多信息，请参阅CN-0552用户指南。
图8.EVAL-CN0552-PMDZ顶视图
- EVAL-CN0552-PMDZ参考设计板
- EVAL-ADICUP3029开发板
- The ADuCM3029_demo_cn0552.hex文件
- 两个2-pF电容
- 一根micro-USB至USB-A电缆
- 带USB/端口的PC/笔记本电脑
- PC/笔记本电脑中安装的IIO示波器应用程序
图9所示为CN-0552测试设置的功能框图。
图9.测试设置功能框图
要测试该板，请执行以下步骤：
1.将EVAL-CN0552-PMDZ连接至EVAL-ADICUP3029的母端子板(P9)。参见图10。
图10.EVAL-CN0552-PMDZ连接至EVAL-ADICUP3029
2. 将USB-A型连接器插入PC，将micro-USB连接器插入EVAL-ADICUP3029。
3. 将aducm3029_demo_cn0552.hex固件刷到EVAL-ADICUP309上。
4. 将两个2pF电容连接到第一个电容的EXCA和CIN(+)引脚，连接到第二个电容的EXCB和CIN(-)引脚。 5. 按下EVAL-ADICUP3029的复位按钮。
6. 打开IIO示波器应用。根据器件设置序列号。按刷新按钮，在显示“ad7746”后，按连接。参见图11
图11.IIO示波器连接面板
7. 在DMM选项卡上，在器件模块下选择“ad7746”，然后按“所有通道”按钮，显示所有部件属性，然后按播放按钮，如图12所示。
图12.IIO示波器DMM选项卡
ESD（静电放电）敏感器件。带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。