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          單芯片電容測(cè)量方案PCAP01原理

          作者: 時(shí)間:2011-11-19 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          1 前言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/187178.htm

            對(duì)于電容傳感器的測(cè)量來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的電路方式有其無(wú)法克服的局限性。復(fù)雜的模擬電路設(shè)計(jì),難以擴(kuò)展的范圍,都會(huì)給開(kāi)發(fā)帶來(lái)非常大的阻力。

            德國(guó)acam公司專(zhuān)利的PICOCAP®測(cè)量原理則給提供了革命性的突破。在21年推出了最新的帶有內(nèi)部DSP單片機(jī)的方案, 這個(gè)芯片會(huì)使電容測(cè)量提高到一個(gè)前所未有的水平。

            2.概述

            PCap為帶有單片機(jī)處理單元的一款專(zhuān)門(mén)進(jìn)行電容測(cè)量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換方案。這顆芯片測(cè)量范圍覆蓋了從幾fF到幾百nF,而且可以非常簡(jiǎn)單的通過(guò)配置來(lái)滿(mǎn)足各種不同應(yīng)用的需求。PCap01既適合超低功耗最低至幾個(gè)uA的測(cè)量,也適合高精度達(dá)到21位有效位的高性能測(cè)量,還可以進(jìn)行最高達(dá)50萬(wàn)次每秒鐘的快速測(cè)量。這顆芯片提供了對(duì)于高精度測(cè)量,低功耗測(cè)量以及快速測(cè)量應(yīng)用的的完美結(jié)合。傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)行校準(zhǔn),然后通過(guò)SPI或者IIC數(shù)據(jù)串行接口進(jìn)行傳送。另外,芯片還可以通過(guò)IO口來(lái)發(fā)送 PWM/PDM 輸出電壓信號(hào)。其余的IO口可以作為中斷管腳,水平報(bào)警信號(hào)管腳或者普通IO口來(lái)應(yīng)用。

            PCap01 有非常小的QFN封裝尺寸,僅需要極少數(shù)量的外部元器件 (至少需要2個(gè)外部雙通電容) ,使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常緊湊而且降低成本,適合很廣泛的電容測(cè)量。

            3. PICOCAP 測(cè)量原理介紹

            

            PICOCAP 測(cè)量原理展示了對(duì)于電容測(cè)量的新的革命性的方式。在這個(gè)原理中,一個(gè)傳感器的電容和一個(gè)參考電容被連接到同一個(gè)放電電阻,組成了一個(gè)Low-pass低通濾波。

            電容首先被充電到電源電壓,然后通過(guò)電阻進(jìn)行放電。而放電到一個(gè)可控制闞值電壓的水平將會(huì)被芯片內(nèi)部的非常高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC所記錄下來(lái)。

            這個(gè)測(cè)量過(guò)程將會(huì)在傳感器和參考電容上重復(fù)交錯(cuò)進(jìn)行,應(yīng)用同樣的電阻。計(jì)算的結(jié)果是測(cè)量的比值結(jié)果,是與電阻和比較器溫度相關(guān)性有關(guān)。傳感器和參考電容數(shù)值的選擇應(yīng)該為統(tǒng)一范圍來(lái)降低增益偏移。實(shí)踐角度講,對(duì)于被測(cè)電容沒(méi)有大小的限制。傳感器幾乎可以從0fF到幾十nf。PICOCAP同時(shí)也支持差動(dòng)電容傳感器的測(cè)量帶有內(nèi)部的線性補(bǔ)償。

            4. 01芯片主要特點(diǎn)

            Pcap01芯片為一顆電容測(cè)量方案,猶如下一些特性:

            一顆芯片可以適合多種應(yīng)用,測(cè)量靈活性非常高:

            a) 低測(cè)量功耗,在10Hz最低僅2 µA

            b) 測(cè)量精度最高達(dá) 22 位有效位, 4 aF rms 精度

            c) 測(cè)量頻率可以最高達(dá)500 kHz

            非常寬的電容測(cè)量范圍, 從幾 fF 到上百nF

            超低增益和offset漂移

            18 位高分辨率溫度測(cè)量

            48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

            內(nèi)部或者外部時(shí)鐘振蕩

            最多可以支持6個(gè)IO口

            IIC, SPI, PWM, PDM 接口

            寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V

            寬操作溫度范圍( -40 ℃ 到 +125℃)

            QFN32 或者 QFN24 封裝

            內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖:

            

          PCAP01內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

            Pcap01發(fā)揮了PICOCAP®測(cè)量原理的高精度優(yōu)勢(shì),使電容測(cè)量達(dá)到了一個(gè)前所未有的水平。根據(jù)傳感器和參考電容大小不同,以及所選擇的測(cè)量模式的不同,我們有如下測(cè)量數(shù)據(jù)。這個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)為典型測(cè)量噪聲精度vs.數(shù)據(jù)輸出頻率, 我們的測(cè)試是應(yīng)用Pcap01評(píng)估系統(tǒng)以及10pF參考電容和1pf的Span加載電容完成。芯片的電壓為 V = 3.0 V:

            

            上面表格中可以 看到,我們分別給出了floating漂移模式和Grounded接地模式兩種情況。當(dāng)應(yīng)用漂移模式,完全補(bǔ)償?shù)那闆r下,在5Hz輸出時(shí)測(cè)量的RMS噪聲為6aF,測(cè)量有效位高達(dá)20.7位!在選擇不同測(cè)量頻率的不同設(shè)置情況下,精度和速度的相對(duì)關(guān)系在表格中給出。 當(dāng)然隨基礎(chǔ)電容大小不同,測(cè)量的有效分辨率也會(huì)有所不同。

            當(dāng)應(yīng)用補(bǔ)償模式進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí),可以使測(cè)量有非常低的增益和零點(diǎn)漂移。電容可以連接為接地,漂移模式。而傳感器和參考電容是通過(guò)內(nèi)部集成的模擬開(kāi)關(guān)選擇到放電網(wǎng)路中。另外由于專(zhuān)利的電路和補(bǔ)償算法,內(nèi)部可以補(bǔ)償寄生電容。補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果可以達(dá)到在溫度范圍內(nèi)僅0.5 ppm /K 增益偏移。這比絕大多數(shù)傳感器本身內(nèi)部偏移要好得多。


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