PCAP01 – 革新電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器單芯片方案

 1 前言

電容傳感器在很多工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中都有非常廣泛的應(yīng)用，因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特性，在很多領(lǐng)域廣受青睞。而對(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)展的電容測(cè)量范圍，都會(huì)給開(kāi)發(fā)帶來(lái)非常大的阻力。盡管存在一些所謂的簡(jiǎn)單易用的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器單芯片方案，但無(wú)論從價(jià)格，性能，和簡(jiǎn)單程度上，還是會(huì)有諸多限制。

德國(guó)acam公司專利的PICOCAP®測(cè)量原理則給電容測(cè)量提供了革命性的突破。在2011年推出了最新的帶有內(nèi)部DSP單片機(jī)的單芯片電容測(cè)量方案PCAP01, 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

PCap01為帶有單片機(jī)處理單元的一款專門(mén)進(jìn)行電容測(cè)量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片方案。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. PCAP01芯片主要特點(diǎn)

Pcap01芯片為一顆單芯片電容測(cè)量方案，猶如下一些特性：

n

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

n

非常寬的電容測(cè)量范圍, 從幾 fF 到上百nF

n

超低增益和offset漂移

n

18 位高分辨率溫度測(cè)量

n

48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

n

內(nèi)部或者外部時(shí)鐘振蕩

n

最多可以支持6個(gè)IO口

n

IIC, SPI, PWM, PDM 接口

n

寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V

n

寬操作溫度范圍( -40 °C到+125°C)

n

QFN32 或者 QFN24 封裝

內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖：

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。

傳感器連接的方式：

對(duì)于電容傳感器的測(cè)量，芯片提供了非常靈活的連接方式，對(duì)比典型的連接方式如下所示：

在芯片中用戶可以自己選擇是用內(nèi)部集成的放電電阻進(jìn)行電容的測(cè)量，還是外接放電電阻來(lái)進(jìn)行測(cè)量，連接的方式如下圖所示：

導(dǎo)線補(bǔ)償：

在電容測(cè)量當(dāng)中，導(dǎo)線的寄生電容對(duì)于整個(gè)測(cè)量的影響是不能夠忽略的。尤其當(dāng)導(dǎo)線較長(zhǎng)的情況下，導(dǎo)線寄生電容的影響將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有致命的影響。在Pcap01當(dāng)中，可以對(duì)傳感器的導(dǎo)線寄生電容進(jìn)行有效補(bǔ)償：

通過(guò)上面的傳感器連接的方式，可以補(bǔ)償連接傳感器兩端的導(dǎo)線寄生電容，消除導(dǎo)線對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。那么如果想要進(jìn)行導(dǎo)線補(bǔ)償，3個(gè)在漂移模式的測(cè)量需要被進(jìn)行如下：

如果對(duì)于高穩(wěn)定性高精度的測(cè)量，我們推薦連接傳感器為漂移模式，來(lái)進(jìn)行完全補(bǔ)償。當(dāng)然如果導(dǎo)線非常短，而且對(duì)于測(cè)量性能溫度性能要求并不苛刻的情況下，也可以僅使用內(nèi)部補(bǔ)償，在接地和漂移模式下均可以應(yīng)用：

溫度測(cè)量單元RDC：

Pcap01內(nèi)部有一個(gè)非常強(qiáng)大的溫度測(cè)量單元，用戶可以選擇外接溫度傳感器測(cè)量，或者應(yīng)用內(nèi)部集成的鋁電阻作為溫度傳感器電阻。內(nèi)部鋁電阻的溫度系數(shù)為T(mén)K

≈ 2800 ppm/K，一般的溫度測(cè)量完全可以滿足。當(dāng)然如果對(duì)于溫度測(cè)量要求較高，則需外接高精度溫度傳感器(如PT1000)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

應(yīng)用外部溫度傳感器 應(yīng)用內(nèi)部溫度傳感器

48位功能強(qiáng)大DSP處理單元：

芯片內(nèi)部帶有一個(gè)48位的信號(hào)處理單元，這個(gè)處理單元將會(huì)處理CDC(電容測(cè)量)和RDC(電阻測(cè)量)的信息，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)將結(jié)果給到芯片輸出端口。所獲得的粗值數(shù)據(jù)將會(huì)存放在內(nèi)部RAM當(dāng)中，而內(nèi)部有OTP或者SRAM可以用于客戶進(jìn)行自己程序的編寫(xiě)。芯片在測(cè)量完成后，一定會(huì)進(jìn)入SRAM或者OTP執(zhí)行內(nèi)部程序，最簡(jiǎn)單的就是將測(cè)量結(jié)果讀出寫(xiě)入到芯片的。那么還可以在程序當(dāng)中進(jìn)行非常多的工作，普通單片機(jī)的功能都可以在芯片內(nèi)部的DSP處理單元中實(shí)現(xiàn)。acam公司為芯片提供不同版本的固件，適合不同種類(lèi)的應(yīng)用。例如提供了測(cè)量溫濕度的固件，當(dāng)您將芯片應(yīng)用于溫濕度測(cè)量的時(shí)候，可以對(duì)于溫度和濕度進(jìn)行非常方便簡(jiǎn)單的校正和補(bǔ)償，內(nèi)部還有集成的計(jì)算軟件，更加方便客戶的開(kāi)發(fā)。

壓力固件是另一個(gè)針對(duì)壓力傳感器應(yīng)用以及其他普通應(yīng)用的集成固件。它帶有高階的多項(xiàng)式逼近的數(shù)學(xué)算法線性補(bǔ)償，還帶有溫度補(bǔ)償算法，這些補(bǔ)償算法除了在壓力傳感器的應(yīng)用當(dāng)中，還可以在其他很多的傳感器應(yīng)用當(dāng)中進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。

另外還有標(biāo)準(zhǔn)固件，進(jìn)行普通電容測(cè)量，給出結(jié)果，有多個(gè)通信接口有效等必要功能。對(duì)于DSP，以及內(nèi)部程序編寫(xiě)更詳細(xì)的信息，請(qǐng)參考Pcap01的DSP技術(shù)手冊(cè)。

5.芯片硬件軟件設(shè)計(jì)方案

上圖為一個(gè)典型的Pcap01硬件設(shè)計(jì)方案，適合于普通的電容式傳感器(傳感器未在圖中標(biāo)出)。輸出的方式為SPI穿行通信方式?？蛇x擇帶有外部溫度傳感器溫度測(cè)量，當(dāng)然也可使用內(nèi)部集成溫度測(cè)量電阻。整體電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，所需元器件數(shù)量非常少。大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。

5.應(yīng)用領(lǐng)域：

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器有非常廣泛的應(yīng)用空間，主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

溫濕度傳感器

壓力傳感器

液位傳感器

位移傳感器

角度傳感器

加速度傳感器

稱重衡器等……..

6.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，Pcap01單芯片方案將會(huì)使您的整體方案設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，電容測(cè)量性能更佳優(yōu)越和可靠，革新的單芯片電路以及可以自由選擇的帶有不同補(bǔ)償方式的固件如線性補(bǔ)償以及溫度線性補(bǔ)償方式，不僅僅提升了電路測(cè)量的水平，同時(shí)也進(jìn)一步提高了傳感器本身的測(cè)量性能。Pcap01芯片將會(huì)使電容測(cè)量更加簡(jiǎn)單方便!