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