PCAP01–革新电容数字转换器单芯片方案
基于PCAP01的高精度电容测量
基于PCAP01的高精度电容测量作者：付洁赵晴杨凯文刘书萌来源：《物联网技术》2014年第02期摘要：电容测量技术在电子产品制造和维修中有着重要的意义及广泛的应用，文中提出了基于PCAP01单芯片方案的电容检测系统，给出了以单片机MSP430F149为核心的高精度电容测量系统的软硬件架构，该系统可实现高精度的电容测量。
关键词：电容测量；PCAP01；MSP430F149中图分类号：TP368 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0027-030 引言对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。
复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。
针对这一问题，我们设计了以带有内部DSP单片机的PCAP01为电容测量芯片的检测系统，该芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。
1 总体设计电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量[1]；新型的微弱电容测量电路等[2]。
从技术难度、测量精度等多方面考虑[3]，本系统采用电容数字转换单芯片来完成对电容式传感器的检测，系统结构框图如图1所示。
电容测量芯片选用德国ACAM公司的单芯片PCAP01[4]。
这颗芯片测量范围覆盖了从几fF到几百nF，而且可以非常简单地通过配置来满足各种不同应用的需求。
单片机MSP430F149通过I/O端口对PCAP01内部寄存器进行配置，其通信方式为SPI串行通信。
测量数据最终通过RS232串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。
上位机由普通微机构成。
图1 系统结构框图2 系统硬件设计2.1 MSP430F149简介最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路。
单片机MSP430F149的特点有：低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、多种存储器形式、适应工业级运行环境等。
基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计设计
基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计设计田海军;张鋆;王健【摘要】多段式电容液位计采用基于电容数字转换技术的专用电容测量芯片PCap01进行多段电容高精度同时测量.测量结果通过SPI通信接口传送给单片机,经过数据处理之后,通过D/A转换芯片AD421输出两线制标准的4～20mA信号,同时应用HART调制解调芯片DS8500在4～20mA模拟信号的基础上叠加数字音频信号进行双向数字通信.通过HART协议访问传感器的测量过程参数、设备组态及校准等信息,实验结果表明:该液位计精度等级可以达到0.5级.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2015(042)009【总页数】5页(P976-979,996)【关键词】多段式电容液位计;锅炉汽包水位;HART协议;电容检测【作者】田海军;张鋆;王健【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TH816汽包水位是自然循环锅炉安全运行的重要参数之一。
汽包水位过高或过低时，都会破坏锅炉的水循环，严重时会造成爆管等重大事故，所以准确测量汽包水位具有重要意义。
由于汽包结构复杂，运行工况变化大，目前还没有全工况监测汽包水位的方法。
现在电厂中多采用多种仪表、多点检测的方法来测量汽包水位，主要使用差压式水位计、云母水位计和电接点水位计，但它们都存在一些缺陷[1]。
为解决这些问题，笔者设计了一种基于HART协议的智能多段式电容汽包液位计，通过精确测量各段传感器的电容值，得到实时液位值，最终结果通过两线制输出4～20mA校准工业信号，实现了汽包液位的全工况测量，并且支持HART通信协议，可以方便地实现液位计的组态、监测和校准功能。
HART协议是一种现场总线协议[2]，现场总线是目前国际过控领域的一个热点，通过现场总线对现场仪表完成实时监控和校准。
ACAM_PCap01 电容测试芯片.
-1.1 ppm/K 2830 ppm/K
3830 ppm/K
20℃，应用内部铝/聚乙烯硅参考下的精度值
测量条件 无平均 2次假测量 R2/Rref 0.825 RMS噪声 50 ppm 典型RMS噪声 温度 25 mK
16次平均 8次假测量
0.823
10 ppm
5 mK
管脚及封装
内置标准固件03.01xx
支持单端及差分接地传感器，支持单端及差分悬空传感器 可以通过接地电容补偿芯片内部寄生电容，可以通过悬浮电容补偿内部及外部 寄生电容 可以通过内部或外部温敏电阻测量温度 提供未经处理的电容及电阻比率输出
市场概述
定位中、高端，电容式传感器应用
或称电容式变送器 包括电容式湿度、位移、压力、力、加速度、倾角、液位传感器等应用
管脚定义
QFN32 QFN24
封装
裸片 2.04 mm x 1.54 mm，线宽120 µm QFN32 5 mm x 5 mm QFN24 4 mm x 4 mm
CDC测量
Cycle Time
充电 + 放电时间
外部电路
补偿测量
寄生电容
通过接地电容，补偿内部的寄生电容以及内部比较器延迟 通过悬空电容，补偿外部的对地寄生电容
PCap01方案
极少BOM 接地模式下，可测量8路电容 悬空能够模式下，可测量4路电容 (零电 势、零偏压) 精度最高可达 6 aF @ 5 Hz, 10 pF基础电容 17-b @ 5 Hz, 100 pF基础电容, 10 pF激励电容 测量频率最高可达500 kHz 测量功耗低至4 µA @ 3 Hz, 13.4-b 超高温度稳定性 低失调漂移：30 aF/K 低增益漂移
多段电容式锅炉液位测量系统设计
多段电容式锅炉液位测量系统设计蔡成涛;郑佳;韩光照【摘要】由于传统的锅炉汽包水位测量多采用差压式水位计、云母水位计等方法,测量过程中存在汽水分界面不明显,需要温度、压力补偿及投入麻烦等缺陷,为解决上述问题,提出了一种基于电容数字转换技术专用芯片Pcap01的智能多段式液位测量系统,并且应用HART通讯单元访问传感器的测量过程参数、设备组态、校准等信息;对多段电容式液位测量系统的总体方案、传感器设计、电容测量电路、HART通讯电路的设计进行了详细论述,同时设计了HART通讯软件和液位测量采集软件;对所设计的多段电容式锅炉液位测量系统经过试验表明,该液位计精度高、操作简单方便,解决了传统液位测量的缺陷,可以满足实际现场要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2016(024)007【总页数】4页(P35-38)【关键词】汽包水位;多段电容;液位测量;电容式传感器【作者】蔡成涛;郑佳;韩光照【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨150001;中国船舶重工集团公司第703研究所,哈尔滨 150078【正文语种】中文【中图分类】TP13锅炉汽包水位是现代火电厂锅炉安全运行的一个非常重要的监控参数，维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的必要条件。
水位过高或过低都会引起水汽品质的恶化甚至造成事故。
水位过高，会影响汽包水位分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，引起过热器损坏。
同时还会使过热汽温急剧变化，影响机组运行的安全性和经济性。
水位过低，可能导致水循环破坏，引起水冷壁烧坏[1]。
锅炉汽包的正常水位，一般在汽包中心线下100～200 mm。
汽包内结构复杂，汽包内液位各处不在同一水平面上，因此，准确测量汽包水位具有重要的应用价值，目前能全程使用的汽包水位计还很少。
当前汽包水位的监测多采用多种仪表多点监测的方法。
差压式汽包水位计在火电生产过程中是应用最为普遍的一种水位计，它是静压式液位测量仪表，广泛应用于汽包水位的实时监测和自动调节系统[2]。
高频课程设计报告_调频发射机
高频课程设计报告_调频发射机目录1. 内容概述 (2)1.1 课程背景 (3)1.2 报告目的 (3)1.3 报告结构 (4)2. 调频发射机概述 (5)2.1 调频通信原理 (6)2.2 调频发射机组成 (7)3. 调频发射机设计要求 (8)3.1 系统指标 (10)3.2 性能要求 (11)4. 设计方案与实现 (11)4.1 发射机结构设计 (13)4.2 高频电路设计 (14)4.3 调制和解调电路设计 (15)4.4 电源模块设计 (17)5. 调试与优化 (19)5.1 测试方法 (21)5.2 调试过程 (22)5.3 性能优化 (23)6. 测试结果与分析 (25)6.1 发射功率 (26)6.2 频谱纯度 (27)6.3 调制质量 (28)6.4 系统稳定性 (30)7. 结论与展望 (31)7.1 设计总结 (32)7.2 存在问题 (34)7.3 未来改进方向 (35)1. 内容概述本报告详细介绍了调频发射机的高频课程设计，围绕其工作原理、设计要点、实现路径以及未来改进方向展开深入探讨。
从调频发射机的基本原理出发，我们讨论了信号调制、载波频率的调整以及功率放大等关键技术点。
报告紧密结合实际工程需求，详尽阐述了调频发射机的工作著魔步骤和各个模块的功能设计，包括射频前端、调制器、功率放大器等核心部件。
在分析过程中，我们考虑了复杂信号环境下的抗干扰性设计，确保信号传输的稳定性和清晰度。
通过对调频发射机的仿真和数据分析，本报告优化了不同负载条件下的性能表现，为实际生产提供了有效的理论支持。
本课程设计报告还包括了项目实施过程中的遇到的挑战和解决方案，同时讨论了调频发射机在现代无线通信技术中的应用及其市场潜力。
报告最后展望了的未来科技发展趋势，提出了进一步提升调频发射机性能的潜在技术和创新方向。
通过本报告的学习与应用，读者能够获得关于高频调频发射机设计过程的全面了解，并为后续相关研究提供有益的参考和指导。
AD7747中文数据手册
应用
汽车电子、工业和医疗系统，用于： 压力测量 位置检测 近程传感 液位检测 流量计 杂质检测
功能框图
VDD TEMP SENSOR VIN(+) VIN(–) MUX CIN1(+) CIN1(–) SHLD EXCITATION CAP DAC 2
05469-001
CLOCK GENERATOR
One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 Fax: 781.461.3113 ©2007 Analog Devices, Inc. All rights reserved.
AD7747
24-BIT GENERATOR
DIGITAFACE
SDA SCL
CONTROL LOGIC CALIBRATION VOLTAGE REFERENCE
RDY
CAP DAC 1
REFIN(+)
REFIN(–)
GND
图1
Rev. 0
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低功耗单片数据采集方案
TI ADS8201低功耗单片数据采集方案TI 企业旳ADS8201是低功耗单片数据采集系统,包括12位采用电容旳SAR模数转换器(ADC),高性能持续时间可编增益放大器(PGA)以及全自动扫描8:1复接器,模拟电压2.2V到5.5V,高达100kSPS吞吐量速率, SCLK 高达25MHz (VD = 5V),重要用在手提通信,传感器接口,手提医疗仪表,数据采集系统和GPS芯片组.本文简介ADS8201重要特性, 功能方框图以及精密定位应用电路图和桥式传感器应用电路图.The ADS8201 is a low-power, complete on-chip data acquisition system optimized for portable applications that require direct connections, wide dynamic range, and automatic operation with very low power consumption. The device includes a 12-bit, capacitor-based, successive approximation register (SAR) analog-to-digital converter (ADC); ahigh-performance, continuous-time programmable gain amplifier (PGA); and a fully automatic scan, 8-to-1 multiplexer (mux) with breakout to allow for system design flexibility.Many other features are included to further optimize system operation. Conversion results may be saved in an onboard first-in/first-out (FIFO) buffer and read out at a later time. Each channel has a gain setting that can be loaded automatically when it is selected.ADS8201重要特性:• Multi-Chip Ready and Fully Enabled:234• Low-Power, Flexible Supply Range:– 2.2V to 5.5V Analog Supply– 1.32mW (100kHz, +VA = 2.2V, +VD = 2.2V)– 4.5mW (100kHz, +VA = 5V, +VD = 5V)• Up to 100kSPS Throughput Rate• Excellent D C Performance:• Transducer Interfaces– ±0.5 LSB typ, ±1.5 LSB max INL• Portable Medical Instruments–±0.5 LSB typ, ±1.0 LSB max DNL • Data Acquisition Systems –±6 LSB Offset Error at +VA =5V • GPS Chipsets– ±0.1%FS Gain Error at +VA = 5V SPACE• Flexible Analog Inputs:– True Differential Input– Differential/Unipolar Input Range (0 to VREF)– TAG Bit Output– Programmable Averaging Function– Onboard, Eight Single-Ended/Four Differential Channel Mux: – High Input Impedance– High-Performance PGA (Gain = 1/2/4/8)– PGA Breakout– Auto/Manual Channel Select with Gain.– Auto/Manual Trigger– Mixed Type Partial Scan• Built-in Hardware Features:– On-chip Conversion Clock (CCLK)– Hardware/Software Reset– Programmable Status/Polarity for BUSY/INT • Flexible I/O:– SPI-/ DSP™-Compatible Serial Interface– Separate I/O Supply (2.2V to 5.5V)– Onboard 8×1 FIFO Buffer– SCLK up to 25MHz (VD = 5V)• Multi-Chip Ready and Fully Enabled:– Global CONVST (Independent of CS)• Power-Down Mode• 24-Pin 4×4 QFN PackageADS8201应用:• Portable Communications • Transducer Interfaces• Portable Medical Instruments • Data Acquisition Systems • GPS Chipsets图1.ADS8201功能方框图图2.ADS8201精密定位应用电路图AO-Electronics 傲壹电子官网：.com 中文网：.cnALPS ADI IR JRC/NJR KEC OTAX Seoul Semiconductor TI Walsin Technology图3.ADS8201桥式传感器应用电路图。
单芯片电容测量方案PCAP01原理
单芯片电容测量方案PCAP01原理1 前言对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。
复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。
德国acam公司专利的PICOCAP?测量原理则给电容测量提供了革命性的突破。
在2011年推出了最新的带有内部DSP单片机的单芯片电容测量方案PCAP01, 这个芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。
2.概述PCap01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。
这颗芯片测量范围覆盖了从几fF到几百nF，而且可以非常简单的通过配置来满足各种不同应用的需求。
PCap01既适合超低功耗最低至几个uA的测量，也适合高精度达到21位有效位的高性能测量，还可以进行最高达50万次每秒钟的快速测量。
这颗芯片提供了对于高精度测量,低功耗测量以及快速测量应用的的完美结合。
传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，然后通过SPI或者IIC数据串行接口进行传送。
另外，芯片还可以通过IO口来发送PWM/PDM 输出电压信号。
其余的IO口可以作为中断管脚，水平报警信号管脚或者普通IO口来应用。
PCap01 有非常小的QFN封装尺寸，仅需要极少数量的外部元器件(至少需要2个外部双通电容) ，使整个系统的设计非常紧凑而且降低成本，适合很广泛的电容测量。
3. PICOCAP 测量原理介绍PICOCAP 测量原理展示了对于电容测量的新的革命性的方式。
在这个原理中，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阚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传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻。
计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关。
传感器和参考电容数值的选择应该为统一范围来降低增益偏移。
基于Pcap01的数据采集系统
基于Pcap01的ECT数据采集系统及图像重建ECT Data Acquisition SystemBased on Pcap01 and Image Reconstruction学院：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：年月摘要电容层析成像技术（ECT）作为过程层析成像技术（PT）的一种，是基于电容敏感机理的过程成像技术，其因结构简单，成本低，非侵入，响应速度快，非辐射等优点，近几年成为了过程层析成像技术的发展主流以及研究热点。
大部分ECT技术中的电容数据采集方法以分立元件居多，但其拥有结构复杂，指标性能差等缺点。
集成电路的方法由于其机构简单性能优良，更适合应用于实验室或工业生产中。
本文主要关于基于Pcap01的ECT数据采集系统以及ECT技术中图像重建系统和成像算法两个方面的简要介绍。
在本次数据采集系统设计方案中，包括了主控电路，电容测量电路，电容选择电路和显示电路，为了解决微小电容检测这一难点，系统采用Pcap01芯片作为电容测量芯片。
主控电路中采用STM32F103VCT6主控芯片来控制测量系统。
为了避免复杂开关列阵式控制，系统中采用16 8矩阵式模拟开关CH446作为选择电路，最终将采集出来的多路电容通过液晶屏显示出来。
图像重建算法是ECT系统中较为关键的一部分，是改善土建重建质量的重要因素。
在本文中将对典型的两种ECT图像重建算法的简要分析。
关键词：Pcap01；STM32；图像重建AbstractElectrical capacitanc tomography (ECT) is a kind of PT technique based on the sensitive principle of capacitance,and it has been the most popula research direction and the main development technique of PT, due to its many distinct advantages such as no radiation , hige speed of response , simple structure , low cost , wide application range, better safety and so on.Most of the ECT system using discrete components, discrete components integrated, complex structure, and performance indicators, integrated circuits method is more suitable for the capacitive data acuisition system in the laboratory or industrial use.This article briefly describes the data acquisition system for ECT based Pcap01 and some instrutiong about ECT image reconstruction technology systems and imaging algorithms brief two aspects. The system includes a main control circuit, the capacitance measurement circuit, capacitance selection circuit and display circuit. In STM32F103VCT6 main chip, the system used to control the measurement system. Pcap01 capacitance measurement chip to measure the small capacitance. 128 analog switch matrix CH446 as a selection circuit, to avoid the complexity of the switch array control. Multi-channel capacitance will eventually be collected out of the LCD.Image reconstruction algorithm is an important factor to improve the image reconstrution quality in ECT system research.In this paper I will make some analysis about the two typical ECT image reconstruction algorithm .Keywords: Pcap01; STM32; image reconsruction目录摘要 (I)Abstract ...................................................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)1.1 ECT系统研究意义和背景 (1)1.2 ECT技术原理分析及系统组成 (2)1.3 研究内容及主要工作 (3)第2章设计思想及方案 (4)2.1数据采集技术难点和问题 (4)2.2 传统测量方法 (5)2.3 系统整体方案 (7)第3章数据采集系统的硬件设计 (9)3.1电容传感器 (9)3.1.1 测量原理 (9)3.1.2 Pcap01芯片的主要特点 (9)3.1.3 Pcap01的工作模式 (10)3.1.4 Pcap01的连接 (11)3.2主控电路 (12)3.3矩阵开关 (15)3.4显示电路 (16)3.4.1液晶介绍 (16)3.5 元件间的通讯 (17)3.5.1 Pcap01与STM32的通讯 (17)3.5.2液晶与STM32的通讯 (18)第4章数据采集系统的软件设计 (20)4.1系统总体设计 (20)4.2电容传感器模块 (21)4.2.1电容传感器的配置 (21)4.2.2 I2C配置 (23)4.3矩阵开关模块 (24)4.4显示模块 (25)4.4.1 SPI配置 (25)4.4.2 液晶控制流程 (27)第5章系统调试 (27)5.1系统硬件调试 (27)5.2系统软件调试 (30)第6章ECT技术图像重建算法 (32)6.1 线性反投影LBP算法 (32)6.2 迭代算法 (34)第7章结论 (36)参考文献 (37)致谢 (39)附录 (40)附录1部分程序代码 (40)附录2 原理图 (45)第1章绪论1.1 ECT系统研究意义和背景在当今社会现代科技迅猛发展的浪潮中，数据采集系统占据了一支主流，它有着可采用电气量和非电气量的双重优势，以其强大的通用性得到了迅速的发展。
DB_PCap01Ax_0301_电容测试芯片
RMS 噪声和精度 vs. 输出数据频率.......................................................................................................... 2-3
2.2.2
RMS 噪声 vs. 供电电压............................................................................................................................... 2-5
1.2 典型应用
湿度传感器 位移传感器 压力传感器 力学传感器 加速度传感器 倾角传感器 角度传感器 无线应用 夜位开关传感器 麦克风 MEMS 传感器
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
3 转换器前端
3.1 CDC 测量原理 3.2 重要 CDC 参数 3.3 CDC 外部电路 3.4 连接电容传感器 3.5 选择放电电阻 3.6 补偿测量
4.1 串行通信
4 接口 (串行通信和 Pulse-Density通信) 4.2 PDM/PWM 和 GPIO
5 读 & 写寄存器 6 DSP, 存储 & 固件
1-1
4
1.3 内部结构原理图
图 1-1: 内部结构原理图
PCapØ1Ax-0301
1-2
acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
基于TDC的高精度微电容测量系统设计
基于TDC的高精度微电容测量系统设计作者：黄峰刘敬彪于海滨潘勉来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期摘要提出一种基于Pcap01AD的微小电容测量电路设计，可对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量。
该设计基于TDC（时间数字转换）原理，系统硬件主要由STM32F101C8T6单片机和Pcap01微电容测量芯片两部分组成。
系统软件包括下位机软件和上位机软件，下位机主要完成对电容测量数据的读取以及发送至上位机，上位机则对数据作进一步处理和显示。
实验证明，该系统的测量精度非常高，在以22pF为基础电容时，其测量最小误差率仅为9.8×10-7%。
【关键词】TDC 高斯分布微电容测量 Pcap01AD在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等测量领域，经常利用电容效应来测量板间介电常数和位移等重要参数。
然而，当前的电容效应在这些领域应用中存在两个问题：（1）电容信号的输出信号往往很小（1fF～100Pf）；（2）传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容难消除并且严重影响测量结果。
因此，如何对微小电容进行高精度测量是当今电容测量领域亟待解决的难题。
目前微小电容测量主要集中在高度集成化方向。
美国Irvine Sensors公司的通用电容检测芯片MS3110能够达到4aF的分辨率，0.5～8KHz采样频率；美国ADI公司的AD7746芯片能够达到4fF的分辨力，采样频率最高为90Hz；德国GEMAC公司的HT133芯片能够达到0.16fF的分辨力，采样频率最高为20KHz；德国ACAM公司的通用电容检测芯片Pcap01AD 是一款专用的微电容测量芯片，该芯片基于TDC原理，具有高速、高精度以及低功耗等优点。
本设计利用Pcap01AD对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量，在1Hz的测量频率下其最小误差率仅为9.8×10-7%。
1 Pcap01AD主要特性及原理1.1 测量原理Pcap01AD将“放电时间测量”作为测量电容的原理。
基于充放电原理的小电容测量电路的设计
基于充放电原理的小电容测量电路的设计陈莉【摘要】针对目前电容量小,连接被测电容和测量电路之前的电缆周围存在着较强的寄生电容干扰,微弱电容测量电路采样频率低,现有电容测量电路不能满足被测电容对采样率的要求等问题,提出了一种新型的基于充放电的微弱电容测量电路.该测量电路分析了现有电容测量电路中的关键部件,采用高采样率、高精度、高稳定性的信号调理电路实现传统测量电路中的信号调理电路部分.通过对信号调理电路的改善,达到具有国内外领先水平的高采样率电容测量电路.经过实验验证测量电路的采样率,发现该电容的采样率可达100 kHz,满足了目前众多电容对测量电路采样率的需求.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)016【总页数】5页(P147-150,155)【关键词】充放电原理;瞬变;电容检测电路;恒流源【作者】陈莉【作者单位】陕西国防工业职业技术学院陕西西安710302【正文语种】中文【中图分类】TN752.1随着现代半导体行业的迅速发展，电容的制作工艺以及性能指标越来越精密。
目前检测精度在微位移领域已达到纳米级，电容电量的变化一方面是由微小位移量的变化产生的。
因此，由纳米级位移变化已经引起了电容的变化在fF量级[1]，寄生电容干扰在pF。
故寄生电容对电容测量的影响是一个急需解决的问题。
目前，电容测量技术均在大的噪声信号干扰下。
当干扰信号存在时，显然测量得到的电容值会严重受到影响。
目前电容的测量不仅面临着信号的各种干扰问题，由于精密检测电容的微小变化过程是一个瞬态变化过程，这就要求测量电路具有较高的采样率。
目前，对微小电容测量电路的采样率要求在100 kHz左右[2]。
因此，需要具有更高采样率的测量电容电路。
传统的微弱电容测量电路能够达到的采样率在50 kHz，且采样率越高带来的噪声就越大[3]，不利于目前微弱电容的测量。
通过对上述弊端的认知，本文着手设计了充放电原理的小电容测量电路。
基于Pcap01的微电容测量系统设计
第 17 卷第 18 期 (2021 年 6 月) 表 2 24-bit 操作码命令
表 3 32-bit 操作码命令
图 7 系统工作流程图 STM32 单片机作为本设计输出处理和传输的中介，需要分 别与 Pcap01 电容检测模块和显示模块 ssd1306 建立通信和数 据传输。Pcap01 兼容 IIC 和 SPI 两种通信协议，其作为从机当 其被 STM32 控制时，可以在电路中通过给芯片的 IIC_EN 管脚 接地或者高电平来选择两种通信方式的其中一种，本设计选用 IIC 让电容检测电路与单片机通信，那么我们需要给 IIC_EN 管 脚提供高电平。 在 IIC 上，每一个从机都有单独的 7 位地址 bit，这个地址码 必须在起始信号开始之后，作为以一个 Byte 发送出去，最后一 位 则 代 表 了 数 据 传 输 的 方 向 。 在 完 成 这 一 个 操 作 后 ，要 给 Pcap01 发送操作码。 Pcap01 有三种操作码单字节命令（8bit 命令），3 字节命令 （24bit 命令），4 字节命令（32bit 命令）如表所示。
收稿日期：2021-01-13 基金项目：永州市科技计划项目(永科发〔2019〕15 号 2019-yzkj-05)；湖南科技学院校级科研项目（No.20XKY051）；湖南科技学院应
用特色学科建设项目；湖南科技学院“通信工程专业综合改革试点”项目 作者简介：朱凯凯（1998—），男，湖南科技学院电子与信息工程学院通信工程专业本科生；通信作者：潘学文（1983—），男，湖南永州
图 2 电路硬件电路模块 （1）系统电源 本设计涉及三个模块，3 个模块的供电要求均可以是 3.3V， 可以使用同一个电源并共地。供电口包括：VDD（2.0~3.6V）， 提供给 Pcap01，STM32 内部解压器电源。VSSA，VDDA（2.4~ 3.5V），为 Pcap01，STM32 复 位 ，时 钟 ，PLL 倍 频 提 供 电 源 。 VBAT（2.0~3.5V），当断电时，为 STM32 后备寄存器以及外部振 荡器供电。 （2）复位电路 复位电路的作用是为了系统恢复初始状态的，STM32 和大 多数的单片机一样有复位（Reset）引脚。我们需要设计复位电 路，达到单片机上电复位和手动复位的效果。硬件复位产生的 条件：当系统上电，掉电时，产生一个上升沿或者下降沿，满足 复位条件系统接收到信号，发生复位，即除了备份区域寄存器 之外，其余所有的寄存器都恢复成初始复位状态。 电源电路模块采用电脑的 USB 接口作为电源接口，通过 USB 转 DC 电源线连接到系统的 DC 电源接口 P1 上，然后经过 自管开关 S1 为整个系统提供稳定的 5V 工作电压。这样设计的 好处是元器件简单便宜，节约成本，又能够为整个系统供电。
基于PCAP01的高精度电容测量
２０１４年 ／ 第２期 物联网技术２７0 引 言对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。
复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。
针对这一问题，我们设计了以带有内部DSP 单片机的PCAP01为电容测量芯片的检测系统，该芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。
1 总体设计电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC 芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量[1]；新型的微弱电容测量电路等[2]。
从技术难度、测量精度等多方面考虑[3]，本系统采用电容数字转换单芯片来完成对电容式传感器的检测，系统结构框图如图1所示。
电容测量芯片选用德国ACAM 公司的单芯片PCAP01[4]。
这颗芯片测量范围覆盖了从几fF 到几百nF ，而且可以非常简单地通过配置来满足各种不同应用的需求。
单片机MSP430F149通过I/O 端口对PCAP01内部寄存器进行配置，其通信方式为SPI 串行通信。
测量数据最终通过RS232串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。
上位机由普通微机构成。
图1 系统结构框图2 系统硬件设计2.1 MSP430F149简介最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路。
单片机MSP430F149的特点有：低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、多种存储器形式、适应工业级运行环境等。
基于MSP430F149的通信接口电路原理图如图2所示。
2.2 PCAP01简介及硬件原理图PCAP01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。
PCAP01既适合超低功耗（最低至几个uA ）的测量，也适合高精度（达到21位有效位）的高性能测量，还可以进行最高达50万次/秒的快速测量。
单核FPGA 系统的可靠性远程升级设计
单核FPGA 系统的可靠性远程升级设计作者：周琼周鹏来源：《中国新通信》 2018年第2期现场可编程门阵列( Field - Programmable Cate Array，FPCA)，作为一种半定制的集成电路，可根据需求描述并搭建数字电路实现各种功能，支持静态重复编程实现功能变更，具有很高的灵活性及多样性‘”。
通常FPCA产品在单板上都带有ARM( Acorn RISC Machine)或MCU( MicrocontrollerUnit)或DSP( Digital Signal Processing)芯片，形成一个多核系统，FPCA的远程升级都是通过MCU芯片外挂的网口或者串口将升级程序缓存并写入FPCA的启动闪存(FLASH)中，重配置FPCA并升级；由于FPCA的掉电易失性，在单核系统中，若要实现可靠的远程升级，制约因素很多，比如升级数据在写入FLASH的过程中出现误码或者掉电，导致FLASH中数据紊乱，从而FPCA加载升级程序时校验错误，无法正常启动，造成严重的影响[2-3]。
单核FPCA系统中采用何种方案来防止升级错误后无法正常启动，是本文研究的重点。
若划分区域用于存储备份的配置文件，在升级后如何从备份区域引导以及运行在备份配置时如何继续将升级配置文件写入FLASH是本文研究的技术难点，一、远程升级技术目前FPCA芯片工艺主要分为三种，分别为静态随机存取存储器( Static Random Access Memory，SRAM)工艺结构、FLASH工艺结构和熔丝反熔丝工艺结构。
主流的产商大多采用基于SRAM工艺的查找表结构，其他两种工艺结构的芯片主要用在航天军工等领域[4-5]。
由于SRAM的特性，其掉电后信息会丢失，FPCA芯片在每次上电时，都必须从新配置。
产品中将配置文件固化在专用的存储器中，上电自动加载配置；产品发货后如果发现缺陷或客户需要功能升级，需采用远程升级技术进行远程配置[6-7]。
数字家电产品的单芯片化
数字家电产品的单芯片化
平云
【期刊名称】《世界电子元器件》
【年(卷),期】2000(000)007
【摘要】一、半导体产品集成规模的提高随着电脑高性能化、小型化、复合化和网络化,半导体产品在从模拟转向数字化并从集成化走向单芯片化。
近年来,从DRAM的晶体管数量来看,在三年内提高了4倍。
随着半导体与电脑MPU的进步,多媒体时代正在来临。
【总页数】2页(P66-67)
【作者】平云
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN303
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ZILKER LABS完美结合控制与转换功能改写“数字电源”定义
ZILKER LABS完美结合控制与转换功能改写“数字电源”定
义
任苙萍
【期刊名称】《《电子与电脑》》
【年(卷),期】2006(000)009
【摘要】Zilker Labs（志科实验室）是一家应用专门提供高整合度、性能及易用
性的电源管理与转换IC的公司，其独特的混合信号IC设计技术——Digital-DC
已获得专利。
为克服与实施当今板级电源相关的日益严峻的挑战，Zilker Labs公
司继去年发布ZL2005数字电源产品后，今年再面向小功率市场推出ZL2105芯片。
【总页数】1页(P89)
【作者】任苙萍
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
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PCAP01–革新电容数字转换器单芯片方案
1 前言电容传感器在很多工业和消费类产品中都有非常广泛的应用，因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特性，在很多领域广受青睐。
而对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。
复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。
尽管存在一些所谓的简单易用的电容数字转换器单芯片方案，但无论从价格，性能，和简单程度上，还是会有诸多限制。
德国acam公司专利的PICOCAP®测量原理则给电容测量提供了革命性的突破。
在2011年推出了最新的带有内部DSP单片机的单芯片电容测量方案PCAP01, 这个芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。
2.概述PCap01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。
这颗芯片测量范围覆盖了从几fF到几百nF，而且可以非常简单的通过配置来满足各种不同应用的需求。
PCap01既适合超低功耗最低至几个uA的测量，也适合高精度达到21位有效位的高性能测量，还可以进行最高达50万次每秒钟的快速测量。
这颗芯片提供了对于高精度测量,低功耗测量以及快速测量应用的的完美结合。
传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，然后通过SPI或者IIC数据串行接口进行传送。
另外，芯片还可以通过IO口来发送 PWM/PDM 输出电压信号。
其余的IO口可以作为中断管脚，水平报警信号管脚或者普通IO口来应用。
PCap01 有非常小的QFN封装尺寸，仅需要极少数量的外部元器件 (至少需要2个外部双通电容) ，使整个系统的设计非常紧凑而且降低成本，适合很广泛的电容测量。
3. PICOCAP 测量原理介绍PICOCAP 测量原理展示了对于电容测量的新的革命性的方式。
在这个原理中，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阚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传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻。
计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关。
传感器和参考电容数值的选择应该为统一范围来降低增益偏移。
实践角度讲，对于被测电容没有大小的限制。
传感器几乎可以从0fF到几十nf。
PICOCAP同时也支持差动电容传感器的测量带有内部的线性补偿。
4. PCAP01芯片主要特点Pcap01芯片为一颗单芯片电容测量方案，犹如下一些特性：一颗芯片可以适合多种应用，测量灵活性非常高:a) 低测量功耗，在10Hz最低仅
2 µA b) 测量精度最高达 22 位有效位, 4 aF rms 精度c) 测量频率可以最高达500 kHz非常宽的电容测量范围, 从几 fF 到上百nF超低增益和offset 漂移18 位高分辨率温度测量48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM内部或者外部时钟振荡最多可以支持6个IO口IIC, SPI, PWM, PDM 接口宽的电源电压范围从2.1 V 到 3.6 V 宽操作温度范围( -40 ℃ 到+125℃)QFN32 或者 QFN24 封装内部结构原理图：Pcap01发挥了PICOCAP®测量原理的高精度优势，使电容测量达到了一个前所未有的水平。
根据传感器和参考电容大小不同，以及所选择的测量模式的不同，我们有如下测量数据。
这个测量数据为典型测量噪声精度vs.数据输出频率, 我们的测试是应用Pcap01评估系统以及10pF参考电容和1pf的Span加载电容完成。
芯片的电压为 V = 3.0 V：
上面表格中可以看到，我们分别给出了floating漂移模式和Grounded接地模式两种情况。
当应用漂移模式，完全补偿的情况下，在5Hz输出时测量的RMS噪声为6aF，测量有效位高达20.7位！在选择不同测量频率的不同设置情况下，精度和速度的相对关系在表格中给出。
当然随基础电容大小不同，测量的有效分辨率也会有所不同。
当应用补偿模式进行高精度测量时，可以使测量有非常低的增益和零点漂移。
电容可以连接为接地，漂移模式。
而传感器和参考电容是通过内部集成的模拟开关选择到放电网路中。
另外由于专利的电路和补偿算法，内部可以补偿寄生电容。
补偿的结果可以达到在温度范围内仅0.5 ppm /K 增益偏移。
这比绝大多数传感器本身内部偏移要好得多。
传感器连接的方式：对于电容传感器的测量，芯片
提供了非常灵活的连接方式，对比典型的连接方式如下所示：在芯片中用户可以自己选择是用内部集成的放电电阻进行电容的测量，还是外接放电电阻来进行测量，连接的方式如下图所示：导线补偿：在电容测量当中，导线的寄生电容对于整个测量的影响是不能够忽略的。
尤其当导线较长的情况下，导线寄生电容的影响将会对测量结果有致命的影响。
在Pcap01当中，可以对传感器的导线寄生电容进行有效补偿：通过上面的传感器连接的方式，可以补偿连接传感器两端的导线寄生电容，消除导线对于测量结果的影响。
那么如果想要进行导线补偿，3个在漂移模式的测量需要被进行如下：如果对于高稳定性高精度的测量，我们推荐连接传感器为漂移模式，来进行完全补偿。
当然如果导线非常短，而且对于测量性能温度性能要求并不苛刻的情况下，也可以仅使用内部补偿，在接地和漂移模式下均可以应用：
温度测量单元RDC：Pcap01内部有一个非常强大的温度测量单元，用户可以选择外接温度传感器测量，或者应用内部集成的铝电阻作为温度传感器电阻。
内部铝电阻的温度系数为TK ≈ 2800 ppm/K，一般的温度测量完全可以满足。
当然如果对于温度测量要求较高，则需外接高精度温度传感器（如PT1000）来进行测量。
应用外部温度传感器应用内部温度传感器48位功能强大DSP处理单元：
芯片内部带有一个48位的信号处理单元，这个处理单元将会处理CDC（电容测量）和RDC（电阻测量）的信息，获得测量数据将结果给到芯片输出端口。
所获得的粗值数据将会存放在内部RAM当中，而内部有OTP或者SRAM可以用于客户进行自己程序的编写。
芯片在测量完成后，一定会进入SRAM或者OTP执行内部程序，最简单的就是将测量结果读出写入到芯片的。
那么还可以在程序当中进行非常多的工作，普通单片机的功能都可以在芯片内部的DSP处理单元中实现。
acam公司为芯片提供不同版本的固件，适合不同种类的应用。
例如提供了测量温湿度的固件，当您将芯片应用于温湿度测量的时候，可以对于温度和湿度进行非常方便简单的校正和补偿，内部还有集成的计算软件，更加方便客户的开发。
压力固件是另一个针对压力传感器应用以及其他普通应用的集成固件。
它带有高阶的多项式逼近的数学算法线性补偿，还带有温度补偿算法，这些补偿算法除了在压力传感器的应用当中，还可以在其他很多的传感器应用当中进行调用，实现非常简单。
另外还有标准固件，进行普通电容测量，给出结果，有多个通信接口有效等必要功能。
对于DSP，以及内部程序编写更详细的信息，请参考Pcap01的DSP技术手册。
您如果对于功能上有任何需求的话，请与acam公司大中国区总代理世强电讯的技术支持人员联系，将会向您提供比较完整的咨询，以及合适的内部固件程序。
5．芯片硬件软件设计方案
上图为一个典型的Pcap01硬件设计方案，适合于普通的电容式传感器（传感器未在图中标出）。
输出的方式为SPI穿行通信方式。
可选择带有外部温度传感器温度测量，当然也可使用内部集成温度测量电阻。
整体电路设计非常简单，所需元器件数量非常少。
大大降低了整个系统的开发难度。
5．应用领域：电容数字转换器有非常广泛的应用空间，主要应用领域如下：温湿度传感器压力传感器液位传感器位移传感器角度传感器加速度传感器称重衡器等……..6.结束语综上所述，Pcap01单芯片方案将会使您的整体方案设计更加简单，电容测量性能更佳优越和可靠，革新的单芯片电路以及可以自由选择的带有不同补偿方式的固件如线性补偿以及温度线性补偿方式，不仅仅提升了电路测量的水平，同时也进一步提高了传感器本身的测量性能。
Pcap01芯片将会使电容测量更加简单方便!。