Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора

9 марта 2007  |  Емкостные, сенсорные CO



Емкостные датчики обладают высокой точностью и довольно низкой стоимостью. Однако разработчики, решившие использовать емкостные датчики в своей конструкции, вынуждены предусмотреть сначала преобразование емкости в напряжение, а затем преобразование этого напряжения в цифровой сигнал с помощью прецизионного АЦП. Сложность конструкции, временные затраты на разработку прототипа и тестирование системы зачастую вынуждают разработчика использовать другие типы датчиков. В итоге система может оказаться более дорогостоящей, менее точной, или и то и другое сразу.

Хотя емкостные датчики часто применяются в различных устройствах, существует много вариантов их подключения, сопряженных с определенными проблемами с точки зрения схем формирования сигнала. Однако существует новый подход – преобразование ёмкости в код с помощью сигма-дельта модулятора, который обычно является частью прецизионного АЦП; сигма-дельта модулятор может работать в качестве средства прямого преобразования емкости в цифровой код. Но прежде чем более подробно рассматривать устройство преобразователя емкости в цифровой код (CDC), необходимо уяснить, где применяются емкостные датчики.

Емкостные датчики изменяют свою ёмкость в ответ на изменение какой-либо физической величины. Они применяются в различных системах и их область применения неуклонно расширяется – от наиболее дорогих и прецизионных промышленных и медицинских систем до простых и дешевых бытовых устройств. Емкостные датчики применяются в устройствах измерения влажности, давления и положения. Также на принципе измерения емкости основаны бесконтактные переключатели, датчики приближения, датчики отпечатков пальцев, измерители уровня жидкости, измерители свойств материалов, качества нефтепродуктов и разнообразные датчики положения.

Подключение емкостных датчиков

Обычно от разработчика, пытающегося применить емкостный датчик, требуется реализовать недорогое, точное устройство, ко входу которого подключается измеряемая емкость. В общем виде, измерение емкости производится за счет подачи на электроды емкостного датчика сигнала возбуждения. Изменения емкости датчика преобразуется в изменения напряжения, тока, частоты или ширины импульсов. Существует несколько типичных методов измерения емкости.

"Прямой" метод подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем измерение напряжения на конденсаторе. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и высокоимпедансного входа измерения напряжения.

Второй метод подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.

Ещё один подход заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, и при этом измеряется напряжение и ток через конденсатор. При использовании четырехпроводного логометрического подключения (при котором измеряется соотношение импедансов) и синхронного демодулятора можно получить наиболее точный результат.

Однако такая схема очень сложна и состоит из многих компонентов.

Наиболее распространенный метод измерения емкости прецизионного датчика с малой величиной емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения (рис.1). Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем и подходит для некоторых систем при больших объемах производства.

Во всех описанных методиках ёмкость сначала преобразуется в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код при помощи прецизионного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В большинстве систем необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Имеется одно существенное преимущество представления сигнала в цифровой форме, даже если в конце концов нам требуется аналоговый сигнал в виде напряжения или тока в петле 4–20 мА. Это преимущество заключается в том, что линеаризацию сигнала датчика, температурную компенсацию, калибровку – всё это гораздо легче выполнить в цифровом виде, нежели в аналоговом.

Очень важный аспект при проектировании схем с прецизионными емкостными датчиками – это способ подключения датчика к схеме.

Часто бывает, что разрабатываемое устройство должно иметь весьма ограниченные размеры, и схема обработки сигнала должна быть достаточно компактной для удовлетворения этим требованиям. Иногда необходимо, чтобы датчик был подключен к устройству достаточно длинным кабелем. Помехи, действующие на этот кабель, могут существенно исказить сигнал с датчика, емкость которого зачастую составляет единицы пикофарад. Более того, если расстояние от датчика до устройства обработки сигнала слишком велико, то методы измерений, чувствительные к емкости соединительного кабеля или к токам утечки, могут оказаться совершенно неприемлемыми.


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Один из методов измерения емкости, основанный на применении зарядового усилителя

Рис. 1. Один из методов измерения емкости, основанный на применении зарядового усилителя

Сигма-дельта АЦП

Хорошо разработанная технология сигма-дельта преобразования уже многие годы применяется в АЦП с высокой разрешающей способностью. На рис.2 упрощенно показана архитектура стандартного промышленного сигма-дельта АЦП. Конденсаторы CIN и CREF периодически переключаются между входом сигнала и источником опорного напряжения VIN и VREF, и они "накачивают" заряд интегратора CINT.


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП

Рис. 2. Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП

Компаратор контролирует уровень сигнала на выходе интегратора и управляет фазой переключения входного ключа, замыкая петлю обратной связи и таким образом компенсируя заряды, протекающие через сигнальную (VIN) и опорную (VREF) цепи.

Однобитный поток нулей и единиц, показанный на рис.2 на выходе компаратора, меняется в соответствии с величиной заряда, необходимого для балансировки цепи. Этот заряд пропорционален напряжению и емкости. Так как емкость конденсатора в АЦП имеет фиксированную величину, плотность единиц в однобитовом потоке соответствует соотношению напряжений на сигнальном входе (VIN) и на входе опорного напряжения (VREF). Затем цифровой фильтр обрабатывает этот однобитный поток данных и формирует результат преобразования в цифровом виде.

Такая архитектура по своей сути является чрезвычайно эффективной с точки зрения линейности и точности, однако особенностью данной архитектуры является балансирование между разрешающей способностью и быстродействием (частотой обновления данных на выходе). Если цифровой фильтр накапливает больше однобитных данных, это требует больше времени для обработки, но обеспечивает в результате больше разрядов "без дрожания". Разрешающая способность ограничена только шумом системы. Частота обновления данных на выходе ограничена максимальной тактовой частотой, которая соответствует скорости срабатывания электронных ключей, полосе частот интегратора и быстродействию компаратора.

Посмотрим на список поставляемых аналого-цифровых преобразователей и ознакомимся с характеристиками типичного сигма-дельта АЦП. Типичный АЦП выдаёт 24-разрядный код без пропущенных кодов (это косвенно характеризует дифференциальную нелинейность), обеспечивает 18-разрядное разрешение (от пика до пика, т.е. 18 стабильных разрядов), интегральная нелинейность составляет 4·10–6, частота обновления данных на выходе от 10 Гц до 40 кГц.

Сигма-дельта преобразователь емкости в цифровой код (CDC)

В обычном сигма-дельта АЦП происходит переключение конденсаторов фиксированной величины и за счет этого достигается уравнивание заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе и постоянным сигналом источника опорного напряжения. Но если заряд пропорционален напряжению и емкости, почему бы не зафиксировать входное напряжение и вместо этого менять емкость?

Модифицированная схема сигма-дельта модулятора показана на рис.3. Фиксированное входное напряжение можно рассматривать как напряжение возбуждения. Конденсатор, емкость которого меняется, будем рассматривать как емкостный датчик. В результате выходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости CREF.


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Сигма-дельта АЦП в качестве прямого измерителя емкости

Рис. 3. Сигма-дельта АЦП в качестве прямого измерителя емкости

Этот новый подход позволяет осуществить прямое подключение емкостного датчика к сигма-дельта преобразователю, что само по себе обеспечивает такие преимущества, как высокая разрешающая способность, точность и линейность. Кроме того, имеются и другие особенности использования описанной схемы в реальной системе.

Такой интерфейс не чувствителен к величине емкости между выводами датчика и "землёй" или к току утечки на "землю", если эти величины находятся в пределах, характерных для реальных конструкций. Преобразователь емкости в цифровой код может быть воплощен полностью в виде однокристального устройства, что в результате обеспечивает высокую степень интеграции, простоту реализации схемы, высокую повторяемость, высокую надежность, и – последнее по порядку, но не по значимости – значительное снижение себестоимости проекта.

Пример: емкостный датчик длины/перемещения

В качестве примера простого и дешевого емкостного датчика мы выбрали емкостный датчик длины/перемещения. Принцип его работы прост: полоска, выполненная из диэлектрического материала с известной диэлектрической проницаемостью, перемещается между двумя неподвижными пластинами. Емкость между пластинами при этом изменяется в зависимости от положения пластины.


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Принцип работы датчика перемещения

Рис. 4. Принцип работы датчика перемещения

Такой датчик можно реализовать в виде "сэндвича" из фольгированного стеклотекстолита. Две полосы медной фольги внутри этой конструкции образуют две обкладки конденсатора (рис.5а.).


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Конструкция датчика длины/перемещения

Рис. 5. Конструкция датчика длины/перемещения

Две узкие полоски стеклотекстолита в среднем слое "сэндвича" задают зазор между обкладками и формируют "туннель", по которому перемещается подвижная полоска (рис.5b).

Внешние слои медной фольги, неиспользуемые области, а также сквозные переходы соединены с "землёй" и формируют экран, защищающий датчик от внешних воздействий. Подвижная полоска диэлектрика изготовлена из того же материала (стеклотекстолита), что и печатная плата, но не имеет слоя меди.

Применение преобразователя CDC и полученные характеристики

Описанный выше емкостный датчик перемещения имеется на оценочной плате; он изготовлен из обычного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм, с двусторонним фольгированием (рис.6).

Подвижная полоска имеет ширину 10 мм. Начальная ёмкость (когда полоска не вдвинута в зазор) составляет 4.5 пФ. Емкость изменяется приблизительно на 0.126 пФ на миллиметр при движении полоски в зазоре между пластинами конденсатора.


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Внешний вид оценочного набора EVAL–AD7745/46EB с датчиком перемещения

Рис.6. Внешний вид оценочного набора EVAL–AD7745/46EB с датчиком перемещения

Датчик подключен непосредственно к преобразователю CDC, и таким образом вся схема преобразователя состоит из одной ИС (рис.7).


Преобразователи ёмкость - код на основе сигма-дельта модулятора. Схема подключения емкостного датчика к ИС AD7746

Рис. 7. Схема подключения емкостного датчика к ИС AD7746

Преобразователь расположен близко к датчику. Вся схема расположена на той же печатной плате, что и датчик. Преобразователь нечувствителен к паразитной емкости между электродами датчика и "землёй", и это сильно упрощает задачу экранирования датчика. Даже дорожки от датчика к преобразователю можно окружить "земляной" поверхностью, получив в итоге структуру, подобную коаксиальному кабелю.

Преобразователь AD7746, которые используется в этом примере, имеет диапазон измеряемой емкости ±4 пФ. Этот диапазон за счет конфигурирования преобразователя можно "сместить" на 17 пФ. Типичная величина разрешающей способности в диапазоне ±4 пФ составляет 18 разрядов (без дрожания). Интегральная нелинейность CDC не хуже 0.01%, за счёт заводской калибровки погрешность усиления не превышает 4 фФ (4·10–15 Ф).

Сопоставление параметров датчика и преобразователя дает нам следующие цифры: полный диапазон перемещения составляет около 65 мм, разрешающая способность 0.25 мм, интегральная линейность ±7 мм. Однако эти цифры – теоретические, в реальной конструкции они могут отличаться. Механическая точность датчика и стабильность его характеристик – вот основные источники погрешностей, снижающие точность всей системы. Кроме того, деформации электрического поля на концах датчика могут привести к нелинейности его характеристики преобразования.

Еще одним параметром, характеризующим точность, является температурный дрейф характеристик. Диэлектрическая проницаемость подвижной части датчика изменяется с температурой, и размеры датчика также изменяются с температурой. Собственно преобразователь CDC имеет величину дрейфа около -25 ppm/°C.

Однако эти погрешности могут быть компенсированы. Если температурный дрейф датчика известен, а значение температуры измерено, то в алгоритме управляющего контроллера можно предусмотреть компенсацию температурной погрешности.

Альтернативный метод компенсации такой: можно измерять емкость конденсатора, сделанного в виде точно такого же "сэндвича", что и основной датчик, а затем вычислять результат сравнения емкости датчика и этого "опорного" конденсатора.

Микросхема CDC AD7746 имеет встроенный температурный датчик, а также второй канал измерения емкости, так что на базе этой ИС можно реализовать любой из описанных подходов. ИС предназначена для работы в температурном диапазоне -40°C…+125°C, что позволяет размещать её вблизи датчика. В таком случае температура кристалла AD7746 и температура датчика будут достаточно близки. Но в данной ИС имеется также стандартный дифференциальный вход напряжения и вход опорного источника, поэтому к ней не составит труда подключить внешний датчик температуры (термистор или резистивный температурный датчик RTD).

Автор: НЕИЗВЕСТНО


Код для размещения на форумах или блоге

«
»