Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №1

Преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора

Власенко Алексей


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 инженеров 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 емкости 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 емкость в зависимости от изменения какой-либо физической величины. Область их 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 преобразуются 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.

Еще один подход заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, 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.

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

Во всех описанных методиках емкость 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 и калибровку 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.

Сигма-дельта АЦП

Хорошо проработанная 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, «накачивая» заряд интегратора CINT.

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 однобитном 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 выдает 24-разрядный код без пропущенных кодов (это косвенно характеризует дифференциальную нелинейность), обеспечивает 18-разрядное разрешение (от пика до пика, то есть 18 стабильных разрядов), интегральная нелинейность составляет 4x10–6, 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 не 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

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 «землей» 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 важности — значительное снижение себестоимости проекта.

Пример: емкостный датчик длины или перемещения

В качестве примера простого и дешевого емкостного датчика мы выбрали емкостный датчик длины или перемещения (рис. 4). 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.

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).

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

Конструкция датчика длины или перемещения
Рис. 5. Конструкция датчика длины или перемещения

Внешние слои медной фольги, неиспользуемые области, а также сквозные переходы соединены с «землей» 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).

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

Подвижная полоска имеет ширину 10 мм. Начальная емкость (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.

Датчик подключен непосредственно к преобразователю CDC, и таким образом вся схема преобразователя состоит из одной ИС (рис. 7). 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 «землей», и это сильно упрощает задачу экранирования датчика. Даже дорожки от датчика к преобразователю можно окружить «земляной» поверхностью, получив в итоге структуру, подобную коаксиальному кабелю.

Схема подключения емкостного датчика к ИС AD7746
Рис. 7. Схема подключения емкостного датчика к ИС AD7746

Преобразователь AD7746, который 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%, а за счет заводской калибровки погрешность усиления не превышает 4 фФ (4x10–15 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 млн–1/°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…+125 °C, что позволяет размещать ее 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).

Литература

  1. http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/21450359AD7745_6_0.pdf
  2. http://www.analog.com/UploadedFiles/Associated_Docs/252730993EVAL_AD7746EB_0.pdf

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке