基于AD7150微小电容测量方法的研究
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１ 、ＡＤ １０内部 结 构 图 和特 性 ７５ ＡＤ １０的 内 部 结构 图如 图 ２所 示 。 ７５
Ａ １０的特性主要有： Ｄ７ ５ 超低功耗：３ ． Ｖ，９ Ａ ３ ０Ｌ Ｌ
响应时间：１ ０ｍｓ
自适 应 环 境补 偿
两个独立的电容 输入通道
测 量 范 围 ：０ ４ｐ ～１ Ｆ 灵 敏度 ０８ｆ ，Ｅ ￣ 试 ． Ｆ ＭＣ Ｉ ｊ
被 测 电容 ｅ 连 接 在 激 励源 和 二 阶 ∑ △ （ ． 电荷 平 衡 ）调制 器 之
间，在转换过程 中，激励信 号作用在被测 电容 上 ，调制器 不断对被测 电容 Ｇ进行采样 。 数字滤 波器对调制器 的输 出进 行处理，生成包含 ０ １的数据流。通过 自适应式 阈值算法 和 和输 出比较器对数据进行处理 ， 最后数据通过 串行接 口读 出。
二 、 测 量模 块
总体 设计 原理 框 图 如 图 １所 示 ， 主要 有 电容 式 传
感器 、电源管理 电路 、 ７ ５ ＡＤ １０电容数字转化器、单片
机 、接 口 电路 几 部 分 组 成 ，通 过 计算 机 可 以显 示 测 量 结 果 以及 保 存 测 试 数 据 。 电路 工 作 原 理 为 ：通 过 芯 片 ＡＤ １０ 内部 的激 励 ７５ 源 对 被 测 电容 式传 感 器 不 断 激 励 ， 电荷 调 节 器 不 断 的
巍 毒
糍孽 磐
基 ９ 馨 里骞 直劫 Ｚ 星 ｉ ～ 小
摘要 ： 本文主要研究了一种新型的微小 电容的测量方法 ， 阐述 了电容测量 电路 的应用背景和 国内外研究现 状 ，针对电容 式传 感器的工作原 理确定了测试电路。Ａ ７ ５ 一种响应快 速兼超低功耗 的电容一 Ｄ １０是 数字转 换器 ，通过 串行接 口与微 控制器连 接 ，为电容 式近程传感器的信号 处理提供了一种全面的解决方 案。 关键词 ：电容 式传 感器 ；电容 ；Ａ ７ ５ ；测 试 Ｄ １０ 中图分类号 ：Ｔ ２ ４ Ｐ ７ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１０ — ８ Ｘ ２ １）６ ０ ３ — ４ ０ ６ ８ ３ （ Ｏ — ０ ７ ０ ０ Ｏ
采样 ， 经过数字滤波器输出数字信 号， 过对 ＡＤ７ ５ 通 １０
内部 寄 存 器 的 设 置 ，得 到 需 要 的 值 ， 通 过 Ｉ 接 口把 ２ Ｃ 数 据 传 送 到 Ｐ Ｃ 单 片 机 ，测 得 的 数 据 通 过 单 片 机 异 步 Ｉ 串行 通 信 接 口 ＵＳ Ｔ送 到 计算 机 上 ， 最 后 由计 算 机 应 用 程 序 来 显 示 测 量 结 果 。 ＡＲ
赵军荣
刘双峰
镰娟
一
、
引 言
电容传感器 广泛的应用于多种检 测系统中 ，用 以测量诸 如液位、压力 、位移 、加速 度等物理量 ，但 目前
大 部 分 电容 测 量 方 法 集 成 化 水 平 低 、 精度 低 ， 因而 对 电 容特 别 是 对 微 小 电容 的 精确 测 量 始 终 是 一 个 很 重 要 的 课 题 。在 某 些场 合 ， 传 感 电容 的变 化 量 往 往 仅 有 几 个 或 几 十 个 皮 法 大 小 ，这 就 对 电 容 测 量 电路 提 出 了更 高 的 要求 。 目前 用 于 解 决测 量微 小 电容 的 方 法 主 要 有 电荷 转 移 法 和 交 流 法 ， 这 两 种 电路 的基 本 测 量 原 理 是 通 过 激 励
列 单 片 机 结 构 简 单 ， 功 能 强 大 ， 并 且 ＭＳ ４ ０ １Ｘ 兼 容 Ｉ Ｐ ３Ｆ ６ ２ Ｃ
技术集 与实 际传感器接 口过程 中起着重要作用的多种特色功 能于一身，如 高输入灵敏度 、较高 的输入寄生接地 电容和泄 漏 电流容 限。集成 自适应式 闽值算法可对因环境因素 （ 如湿 度和温度 ）或绝缘材料老化而导致传感器 电容发生的任何变 化进行补偿 。Ａ １０ 具有 内部可编程寄存器，通过编程来 Ｄ７ ５
三 、Ａ ７ ５ Ｄ １０简介
Ａ １０采用 ＡＤ 公司的 电容。 Ｄ７ ５ Ｉ 数字转换器 （ Ｄ Ｃ Ｃ）技术 ，它是一种 响应快速 的超低 功耗转换器【。这种
２０ ０，６ Ｓｅ ｓ ｒ ｏｒ １ ０ ｎ ｏＷ ｉ ｄ
ｗｗ ． ｗ￣ ｒ ｏ ｄ ｃ ｍ． ｗｄ． ｏ ｅ ｎ
特 写
一
般来讲对于 电容值没有特殊 的界 限，电容传感器从接近零
皮 法 到 十 几 皮 法 都 可 以被 测 量 ， 图 ３为 ＡＤ７５ １０简 化 功 能 框
图。
Βιβλιοθήκη Baidu
四 、Ａ ７ ５ 件 连 接 及 串行 接 口 Ｄ １０硬
Ａ １０的通讯符合 Ｉ Ｄ７ ５ ２ Ｃ接 口控制与数据传输过程 。 本测 量 电路需要控制芯片来控制数据 的读取和写入 ，ＭＳ ４ ０ 系 Ｐ３
两种操作模 式：独立 固定 设置模式 ，用户 自定义设置 两个近程检测标 志
２串行 接 口 （２ ｉ Ｃ） 工 作温 度 范 围 为 ： ０Ｃ至＋ ２ 。 ． 。 ４ １５Ｃ。 ２ Ｄ７ ５ 测 量 原 理 、Ａ １０的
ＡＤ７ ５ １０采用 电容一 数字转换器 （ ＤＣ）技术，转换器包 Ｃ 含一个二阶 ∑ Ａ（ 一 电荷平 衡）调制器和一个三阶数字滤波器，
信 号连续对 电容充放 电，形成与被测 电容成 比例的 电流或 电压信 号，从而测量 出被测 电容值 。它们的共 同缺 点是脉 动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿 ，电路结构相对 复杂，成本也较高 。本文提出的基于 ＡＤ７ ５ １０
电 容 数 字 变 换 器 的 电容 测 量 电 路 ，通 过 持 续 的对 被 测 电容 提 供 激 励 ， 不 断 的 对 被 测 电容 电荷 进 行 采 样 ， 经 过 内部 电荷 调 节 器 和 数 字 滤 波 器 的直 接 转 化 成 数 字 信 号 ，外 部 电路 结构 简 单 ，稳 定 性 好 【。 】 ］
Ａ １０的特性主要有： Ｄ７ ５ 超低功耗：３ ． Ｖ，９ Ａ ３ ０Ｌ Ｌ
响应时间：１ ０ｍｓ
自适 应 环 境补 偿
两个独立的电容 输入通道
测 量 范 围 ：０ ４ｐ ～１ Ｆ 灵 敏度 ０８ｆ ，Ｅ ￣ 试 ． Ｆ ＭＣ Ｉ ｊ
被 测 电容 ｅ 连 接 在 激 励源 和 二 阶 ∑ △ （ ． 电荷 平 衡 ）调制 器 之
间，在转换过程 中，激励信 号作用在被测 电容 上 ，调制器 不断对被测 电容 Ｇ进行采样 。 数字滤 波器对调制器 的输 出进 行处理，生成包含 ０ １的数据流。通过 自适应式 阈值算法 和 和输 出比较器对数据进行处理 ， 最后数据通过 串行接 口读 出。
二 、 测 量模 块
总体 设计 原理 框 图 如 图 １所 示 ， 主要 有 电容 式 传
感器 、电源管理 电路 、 ７ ５ ＡＤ １０电容数字转化器、单片
机 、接 口 电路 几 部 分 组 成 ，通 过 计算 机 可 以显 示 测 量 结 果 以及 保 存 测 试 数 据 。 电路 工 作 原 理 为 ：通 过 芯 片 ＡＤ １０ 内部 的激 励 ７５ 源 对 被 测 电容 式传 感 器 不 断 激 励 ， 电荷 调 节 器 不 断 的
巍 毒
糍孽 磐
基 ９ 馨 里骞 直劫 Ｚ 星 ｉ ～ 小
摘要 ： 本文主要研究了一种新型的微小 电容的测量方法 ， 阐述 了电容测量 电路 的应用背景和 国内外研究现 状 ，针对电容 式传 感器的工作原 理确定了测试电路。Ａ ７ ５ 一种响应快 速兼超低功耗 的电容一 Ｄ １０是 数字转 换器 ，通过 串行接 口与微 控制器连 接 ，为电容 式近程传感器的信号 处理提供了一种全面的解决方 案。 关键词 ：电容 式传 感器 ；电容 ；Ａ ７ ５ ；测 试 Ｄ １０ 中图分类号 ：Ｔ ２ ４ Ｐ ７ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１０ — ８ Ｘ ２ １）６ ０ ３ — ４ ０ ６ ８ ３ （ Ｏ — ０ ７ ０ ０ Ｏ
采样 ， 经过数字滤波器输出数字信 号， 过对 ＡＤ７ ５ 通 １０
内部 寄 存 器 的 设 置 ，得 到 需 要 的 值 ， 通 过 Ｉ 接 口把 ２ Ｃ 数 据 传 送 到 Ｐ Ｃ 单 片 机 ，测 得 的 数 据 通 过 单 片 机 异 步 Ｉ 串行 通 信 接 口 ＵＳ Ｔ送 到 计算 机 上 ， 最 后 由计 算 机 应 用 程 序 来 显 示 测 量 结 果 。 ＡＲ
赵军荣
刘双峰
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一
、
引 言
电容传感器 广泛的应用于多种检 测系统中 ，用 以测量诸 如液位、压力 、位移 、加速 度等物理量 ，但 目前
大 部 分 电容 测 量 方 法 集 成 化 水 平 低 、 精度 低 ， 因而 对 电 容特 别 是 对 微 小 电容 的 精确 测 量 始 终 是 一 个 很 重 要 的 课 题 。在 某 些场 合 ， 传 感 电容 的变 化 量 往 往 仅 有 几 个 或 几 十 个 皮 法 大 小 ，这 就 对 电 容 测 量 电路 提 出 了更 高 的 要求 。 目前 用 于 解 决测 量微 小 电容 的 方 法 主 要 有 电荷 转 移 法 和 交 流 法 ， 这 两 种 电路 的基 本 测 量 原 理 是 通 过 激 励
列 单 片 机 结 构 简 单 ， 功 能 强 大 ， 并 且 ＭＳ ４ ０ １Ｘ 兼 容 Ｉ Ｐ ３Ｆ ６ ２ Ｃ
技术集 与实 际传感器接 口过程 中起着重要作用的多种特色功 能于一身，如 高输入灵敏度 、较高 的输入寄生接地 电容和泄 漏 电流容 限。集成 自适应式 闽值算法可对因环境因素 （ 如湿 度和温度 ）或绝缘材料老化而导致传感器 电容发生的任何变 化进行补偿 。Ａ １０ 具有 内部可编程寄存器，通过编程来 Ｄ７ ５
三 、Ａ ７ ５ Ｄ １０简介
Ａ １０采用 ＡＤ 公司的 电容。 Ｄ７ ５ Ｉ 数字转换器 （ Ｄ Ｃ Ｃ）技术 ，它是一种 响应快速 的超低 功耗转换器【。这种
２０ ０，６ Ｓｅ ｓ ｒ ｏｒ １ ０ ｎ ｏＷ ｉ ｄ
ｗｗ ． ｗ￣ ｒ ｏ ｄ ｃ ｍ． ｗｄ． ｏ ｅ ｎ
特 写
一
般来讲对于 电容值没有特殊 的界 限，电容传感器从接近零
皮 法 到 十 几 皮 法 都 可 以被 测 量 ， 图 ３为 ＡＤ７５ １０简 化 功 能 框
图。
Βιβλιοθήκη Baidu
四 、Ａ ７ ５ 件 连 接 及 串行 接 口 Ｄ １０硬
Ａ １０的通讯符合 Ｉ Ｄ７ ５ ２ Ｃ接 口控制与数据传输过程 。 本测 量 电路需要控制芯片来控制数据 的读取和写入 ，ＭＳ ４ ０ 系 Ｐ３
两种操作模 式：独立 固定 设置模式 ，用户 自定义设置 两个近程检测标 志
２串行 接 口 （２ ｉ Ｃ） 工 作温 度 范 围 为 ： ０Ｃ至＋ ２ 。 ． 。 ４ １５Ｃ。 ２ Ｄ７ ５ 测 量 原 理 、Ａ １０的
ＡＤ７ ５ １０采用 电容一 数字转换器 （ ＤＣ）技术，转换器包 Ｃ 含一个二阶 ∑ Ａ（ 一 电荷平 衡）调制器和一个三阶数字滤波器，
信 号连续对 电容充放 电，形成与被测 电容成 比例的 电流或 电压信 号，从而测量 出被测 电容值 。它们的共 同缺 点是脉 动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿 ，电路结构相对 复杂，成本也较高 。本文提出的基于 ＡＤ７ ５ １０
电 容 数 字 变 换 器 的 电容 测 量 电 路 ，通 过 持 续 的对 被 测 电容 提 供 激 励 ， 不 断 的 对 被 测 电容 电荷 进 行 采 样 ， 经 过 内部 电荷 调 节 器 和 数 字 滤 波 器 的直 接 转 化 成 数 字 信 号 ，外 部 电路 结构 简 单 ，稳 定 性 好 【。 】 ］