电容的测量及常用芯片

只看该作者 · 2023-1-5 23:26

电容的测量及常用芯片
近期研究电容式传感，查了些电容测量的资料，在此简单整理、分享。
因为电容式传感器具有：测量范围大、灵敏度高、动态响应快、机械损失小、结构简单等优点，目前，电容式传感器有着越来越多的应用。对于电容量的测量一般是将转换为电压、电流或频率信号进行测量，主要的方法有：交流电桥法、二极管环形检波法、脉冲宽度法及运算测量法等。但是，用分立元件组成的电容测量电路测量精度低、调试复杂、易受温度影响。目前一些芯片公司推出专用的电容测量芯片，这些电容测量芯片由于测量精度高、使用简便等优点，越来越多的被人们选为测量电容的首选方案。这些电容测量芯片有：Analog Devices公司的AD7745、AD7746、AD7747, Analog Microelectronics公司的CAV424、CAV444，Acam Messelectronic公司的PCap01、PCap02等。
AD7745、AD7746、AD7747是高分辨率Σ-Δ电容数字转换器（CDC），输出结果可达24位，AD7745和AD7746输出有效分辨率可达21位，AD7747输出的有效分辨率有19.5位。它们的线性度都是0.01%。AD7745和AD7746精度是±4fF，AD7747精度是±10fF。在最大17pF共模电容的基础上AD7745和AD7746的测量范围是±4pF，而AD7747的测量范围是±8pF。AD7745有一个电容输入通道，AD7746有两个电容输入通道，AD7745/AD7746专为对地浮动电容测量设计，而AD7747可用于电容的一个极板接地的情况下。它们的内部结构基本相同，图1位AD7746的原理框图。

图1
CAV424和CAV444是电容电压转换集成电路。它们用来测量一个电容传感器的电容和一个参考电容器的电容差值并把它转换成差分的直流电压信号。CAV424的测量范围5pF-40nF，CAV444的测量范围10pF-10nF，有很好的抗干扰性能和极高的测量电容灵敏度，在工业控制自动化和电容传感器信号处理方面得到广泛的应用。图2是CAV424的原理图。

图2
PCap01和PCap02是德国acam公司的电容测量芯片，利用acam公司专利的PICOCAP®测量原理。它们内部集成DSP单元，可以直接将待测电容元件接到芯片输入端，然后芯片计算出容值大小，可通过SPI、IIC总线将电容容值数据传送给CPU，还具有PDM和PWM输出接口。PICOCAP®是对于电容测量的新的革命性的方式。其原理是，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，组成了一个Low-pass低通滤波。电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电。而放电到一个可控制阀值电压的水平将会被芯片内部的非常高精度时间数字转换器TDC所记录下来。这个测量过程将会在待测电容和参考电容上重复交错进行。由于短时间间隔和特殊的补偿方法，放电时间的比率与电容器的比率成正比。电容测量范围可以从1fF到几百nF。图3是PCap02的原理图。

图3

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