CC BY
35534 www.finestreet.ru компоненты датчики
Преобразователи емкости
в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора
Михаль БРИХТА Перевод: Алексей ВЛАСЕНКО
alexey.vlasenko@analog.com.ru
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 (СЭС), 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 времяза-дающей в ИС-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.
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 Сю и СКЕР
датчики
компоненты
35
Сброс
Рис. 1. Один из методов измерения емкости, основанный на применении зарядового усилителя
периодически переключаются между входом сигнала и источником опорного напряжения Ую и УИЕЕ, «накачивая» заряд интегратора С1КТ.
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 (Ую) и опорную (УИЕР) 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 (У1М) и на входе опорного напряжения (УИЕр). 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 4хШ-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 вы-
ходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости СКЕР.
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
Рис. 2. Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП
Рис. 3. Сигма-дельта АЦП в качестве прямого измерителя емкости
этом изменяется в зависимости от положения пластины.
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. 5Ь).
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 СйС и полученные характеристики
Описанный выше емкостный датчик перемещения имеется на оценочной плате; он изготовлен из обычного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с двусторонним фольгирова-нием (рис. 6).
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.
Рис. 6. Внешний вид оценочного набора EVAL-AD7745/46EB с датчиком перемещения
Датчик подключен непосредственно к преобразователю СЭС, 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.
Преобразователь АЭ7746, 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 СЭС не хуже 0,01%, а за счет заводской калибровки погрешность усиления не превышает 4 фФ (4х10-15 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 СЭС имеет величину дрейфа около -25 млн-1/°С. 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 СЭС АЭ7746 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 °С, что позволяет размещать ее вблизи датчика. В таком случае температура кристалла АЭ7746 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 ИТЭ). ■
Литература
1. http://www.analog.com/UploadedFiles/
Data_Sheetsm450359AD7745_6_0.pdf
2. http://www.analog.com/UploadedFiles/
Associated_Docs/
252730993EVAL_AD7746EB_0.pdf
верхняя печатная плата
N
подвижная пластинка из диэлектрика
41------
НИЖНЯЯ/^
печатная
плата
| | Земля
\~7 (защитный экран)
(а)
верхняя
печатная
плата
----------V--------
Часть пластины, находящаяся в зазоре
Ср
\
средняя печатная -плата
У'
~ЕХС
□
Земля
(защитный экран)
Сквозные отверстия для стяжки
N.
Земля (защитный экран)
нижняя (Ь) печатная плата
Датчик
т
всі- ЭйД
ІТОУ N0
ЕХСА
ЕХСВ А07746 ЭМ
1*ЕР(+) А1М(—)
І^Н АЩ+)
С1К11(+) СШН
ам(-) С1М2(+)
16
Интерфейс І2С к микроконтроллеру ------<—►
3 V
13
1 тР^ІО тР
Рис. 5. Конструкция датчика длины или перемещения
Рис. 7. Схема подключения емкостного датчика к ИС AD7746
