電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7745的工作原理和應(yīng)用

1  引言

AD7745是AD公司生產(chǎn)的具有高的分辨率、低功耗的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該芯片性能穩(wěn)定，操作方便，可以和多種電容傳感器一起開(kāi)發(fā)各種實(shí)際產(chǎn)品。AD7745的主要特點(diǎn)如下：

(1)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

具有單端電容探測(cè)器或者差分式電容探測(cè)器接口；

分辨率：4 aF；精確度：4 fF；線性度：0.01％；

在普通模式下，電容高達(dá)17 pF；

可測(cè)量電容范圍：-4～4 pF；

可容忍高達(dá)60 pF的寄生電容；

更新頻率：10～60 Hz。

(2)片上溫度傳感器

分辨率：0.1℃；精確度：±2℃；

電壓輸入通道；

內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器；

兩線串行接口(I2C兼容)。

(3)電源

2.7～5.25 V單電源供電。

2工作原理及引腳功能

2.1  工作原理

AD7745的核心是一個(gè)高精度的轉(zhuǎn)換器，由1個(gè)二階調(diào)制器和1個(gè)三階數(shù)字濾波器構(gòu)成。AD7745可以配置成一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，也可以配置成一個(gè)經(jīng)典的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。除了轉(zhuǎn)換器外，AD7745集成了一個(gè)多路復(fù)用器、一個(gè)激勵(lì)源和電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAP-DAC)作為電容的輸入、一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器、一個(gè)控制校正邏輯、I2C接口。AD7745的功能框圖如圖1所示。下面對(duì)圖中的主要部分進(jìn)行功能說(shuō)明。

(1)∑-△調(diào)制器

∑-△調(diào)制器是AD7745的核心，它是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件，其工作原理是：被測(cè)的電容Cx被連接在CDC激勵(lì)輸出(EXCA或者EXCB)與∑-△調(diào)制器輸入(VIN(+))之間，在1個(gè)轉(zhuǎn)換周期，一個(gè)方波激勵(lì)信號(hào)(從EXCA或者EXCB輸出)被加到CX，∑-△調(diào)制器連續(xù)采樣經(jīng)過(guò)CX的電荷。數(shù)字濾波器處理∑-△調(diào)制器的輸出，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器輸出，經(jīng)過(guò)校正，由I2C串行接口將數(shù)據(jù)讀出。

(2)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)

電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)可以被理解成一個(gè)負(fù)電容直接內(nèi)部連接到CIN引腳。在AD77415中有2個(gè)CAPDAC，一個(gè)連接到CIN1(+)，另一個(gè)連接到CIN1(一)，如圖2所示。輸入電容CX，CY(差分模式下)與輸出數(shù)據(jù)(DATA)之間的關(guān)系如下：

電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)編程被測(cè)電容的輸入范圍，通過(guò)設(shè)置CAPDAC(+)和CAPDAC(一)的值，可以改變被測(cè)電容的范圍，比如在單端模式下，將CAP-DAC設(shè)置成溫度傳感器±4 pF，被測(cè)電容的變化范圍成了0～8 pF。

(3)溫度傳感器

AD7745使用1個(gè)片上晶體管測(cè)量芯片內(nèi)部的溫度，芯片的溫度變換將影響到晶體管的電壓△VBE，∑-△調(diào)制器將△VBE轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，最終的輸出線性于溫度的變化。由于AD7745的功耗很低，因此它自身產(chǎn)生的熱量很少(在VDD=5 V時(shí)，小于0.5℃)，被測(cè)電容探測(cè)器的溫度可以認(rèn)為和AD7745的溫度相同，因此AD7745內(nèi)部的溫度傳感器可以用做系統(tǒng)的傳感器。也就是說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)的溫漂補(bǔ)償可以基于片內(nèi)的溫度傳感器，而不需要片外器件。

(4)I2C串行接口

AC7745支持I2C兼容2線串行接口，I2C總線上的2根線是SCL(時(shí)鐘)和SDA(數(shù)據(jù))，所有的地址、控制和數(shù)據(jù)信息都通過(guò)這2根線進(jìn)行傳輸。