電容數字轉換器ＡＤ７７４的工作原理和應用
2008-04-12 00:00:00郭強謝康姜海明王浩
現代電子技術 2008年14期
摘 要：AD774是AD公司生產的具有I2C總線接口的電容數字轉換器。該轉換器支持單端電容輸入和差分式電容輸入，同時在片內集成了溫度傳感器，可以用于代替系統中的溫度傳感器。該芯片廣泛的應用于生化探測、壓力探測、電壓探測、雜質探測等領域。介紹AD774的功能原理和工作模式，同時給出一種使用該芯片的實際應用。
關鍵詞：Σ-Δ調制器；差分式電容輸入；單端電容輸入；I2C總線
Principle and Application of Capacitance to Digital Converter AD774
GUO Qiang，XIE Kang，JIANG aiming，WANG ao
(chool of Optoelectronic Information，University of Electronic cience and echnology of China，Chengdu，61004，China)
Abstract：he AD774 is a capacitance to digital converter with I2C bus produced by AD Companyhis converter supports single-ended capacitive input and differential capacitive input，and integrates a temperature sensor which can instead of temperature sensor in systemhis chip is used in biochemistry detection，pressure detection，voltage detection and impurity detectionhe principle and working mode are produced in the paper and an application with this chip is given
Keywords：Σ-Δ modulator;differential capacitive input;single-ended capacitive input;I2C bus
1 引 言
AD774是AD公司生產的具有高的分辨率、低功耗的電容數字轉換器。該芯片性能穩定，操作方便，可以和多種電容傳感器一起開發各種實際產品。AD774的主要特點如下：
(1) 電容數字轉換器
具有單端電容探測器或者差分式電容探測器接口；
分辨率：4 aF；精確度：4 fF；線性度：001%；
在普通模式下，電容高達17 pF；
可測量電容范圍：-4~4 pF;
可容忍高達60 pF的寄生電容；
更新頻率：10~60 z。
(2) 片上溫度傳感器
分辨率：01 ℃；精確度：±2 ℃；
電壓輸入通道；
內部時鐘振蕩器；
兩線串行接口(I2C兼容)。
(3) 電源
27~2 V單電源供電。
2 工作原理及引腳功能
21 工作原理
AD774的核心是一個高精度的轉換器，由1個二階調制器和1個三階數字濾波器構成。AD774可以配置成一個電容數字轉換器(CDC)，也可以配置成一個經典的模數轉換器(ADC)。除了轉換器外，AD774集成了一個多路復用器、一個激勵源和電容數模轉換器(CAPDAC)作為電容的輸入、一個溫度傳感器、一個時鐘發生器、一個控制校正邏輯、I2C接口。AD774的功能框圖如圖1所示。下面對圖中的主要部分進行功能說明。
(1) Σ-Δ調制器
Σ-Δ調制器是AD774的核心，它是將模擬信號轉換成數字信號的器件，其工作原理是：被測的電容CX被連接在CDC激勵輸出(EXCA或者EXCB)與Σ-Δ調制器輸入(VIN(+))之間，在1個轉換周期，一個方波激勵信號(從EXCA或者EXCB輸出)被加到CX，Σ-Δ調制器連續采樣經過CX的電荷。數字濾波器處理Σ-Δ調制器的輸出，數據經過數字濾波器輸出，經過校正，由I2C串行接口將數據讀出。
(2) 電容數模轉換器(CAPDAC)
電容數模轉換器(CAPDAC)可以被理解成一個負電容直接內部連接到CIN引腳。在AD774中有2個CAPDAC，一個連接到CIN1(+) ，另一個連接到CIN1(-)，如圖2所示。輸入電容CX，CY(差分模式下)與輸出數據(DAA)之間的關系如下：
電容數模轉換器可以用來編程被測電容的輸入范圍，通過設置CAPDAC(＋)和CAPDAC(-)的值，可以改變被測電容的范圍，比如在單端模式下，將CAPDAC設置成溫度傳感器±4 pF，被測電容的變化范圍成了0~8 pF。
(3) 溫度傳感器
AD774使用1個片上晶體管測量芯片內部的溫度，芯片的溫度變換將影響到晶體管的電壓ΔVBE ，Σ-Δ調制器將ΔVBE轉變成數字信號，最終的輸出線性于溫度的變化。由于AD774的功耗很低，因此它自身產生的熱量很少(在VDD= V時，小于0 ℃)，被測電容探測器的溫度可以認為和AD774的溫度相同，因此AD774內部的溫度傳感器可以用做系統的傳感器。也就是說，整個系統的溫漂補償可以基于片內的溫度傳感器，而不需要片外器件。
(4) I2C串行接口
AC774支持I2C兼容2線串行接口，I2C總線上的2根線是CL(時鐘)和DA(數據)，所有的地址、控制和數據信息都通過這2根線進行傳輸。
22 引腳功能
AD774的引腳分布如圖3所示可知。各引腳功能描述如下：
CL：I2C串行時鐘輸入；
RDY：邏輯輸出。當該引腳信號的下降沿到來時，表示在已經使能的通道轉換已經完成，同時新的數據已經到達該通道；
EXCA，EXCB：CDC激勵輸出。被測電容接在EXC引腳和CIN引腳之間；
REFIN(＋)，REFIN(-)：差分參考電壓輸入；
CIN1(-)：在差分模式下，CDC的負電容輸入；在單端模式下，該引腳內部斷開；
CIN1(＋)：在差分模式下，CDC的正電容輸入；在單端模式下，CDC的電容輸入；
NC：空管腳；
VIN(＋)，VIN(-)：ADC的差分電壓輸入。此引腳同時連接外部溫度探測二極管；
GND：接地端；
VDD：電源端；27~2 V單電源供電；
DA：雙向I2C串行數據線。
3 AD774的工作模式
31 差分模式
當被測電容傳感器是差分式電容傳感器，其連接方法如圖2所示，差分電容探測器的正電容輸入連接到CIN1(+) ，負電容輸入連接到CIN1(-)。通過I2C接口將AD774中的電容設置寄存器(Cap etup register)中的CAPDIF位設置成1。
32 單端模式
當被測電容傳感器是是單端電容傳感器，其連接方法如圖4所示。可以通過設定CAPDAC(＋)的值調整被測的電容傳感器的輸出范圍。
4 具體應用
電容傳感器的種類很多，總體可以分為改變極板之距離的極距型傳感器；改變極板遮蓋面積的面積型傳感器；改變電介質之介電常數的介質型傳感器。
本應用使用根據極板間介質的介電常數隨濕度而改變的差分式電容傳感器，將差分式電容傳感器的正負電容輸出分別接到AD774的CIN1(+)和CIN1(-)引腳。然后將AD774接到3 V/ V電壓上，將AD774的輸出通過I2C總線接到主機控制器， CL和DA要接10 kΩ的上拉電阻。主機控制器選擇P89C668，因為該MCU具有I2C接口和UAR串口(見圖)。
本系統將電容傳感器放置在需要探測的環境中，在PC即顯示該環境的濕度，軟件流程圖如圖6所示。
結 語
由于AD774功能穩定，操作簡單，可以于多種電容傳感器使用，可以用于壓力探測，電壓探測、雜質探測等方面的應用和開發。
參 考 文 獻
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［2］Philips半導體公司P89C660/P89C662/P89C664/P89C668[Z]2002
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