CN101135574A - 电容传感器量程自适应信号电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容传感器量程自适应信号电路，包括处理器(1)和电容数字转换器(2)，处理器(1)的时钟信号输出端SCL与电容数字转换器(2)的时钟信号输入端SCL连接，电容数字转换器(2)的数据信号输出端SDA与处理器(1)的数据信号输入端SDA连接，电容数字转换器(2)的信号输出端RDY与处理器(1)的外部中断信号输入端EXINT1连接，该电容传感器量程自适应信号电路还包括量程转换模块(3)，本发明在激励信号输出端后连接了模拟多路开关、电阻网络和电压跟随器，根据量程的需求，按照比例改变了激励信号的幅值，从测量原理的角度成比例的扩大了测量范围，增强了本发明的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种通用微小电容的检测电路，尤其涉及一种电容传感器量程自适应信号电路。
背景技术
电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。它广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的测量，而且还逐步扩大应用于压力、差压、液面、介质介电常数的测量。它的结构简单，具有高分辨率，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。电容式传感器将被测非电量信号变换成电容变化后，必须由后续测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。电容传感器因为其电极的极板面积比较小，相应的电容容量(0.1pF～100pF)及变化量(小至fF级)也很小，其后续测量电路的设计就显得十分重要。
目前，用于解决测量微弱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信号连续对被测电容进行充放电，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。因此，这两种方法都需要设计和配置稳频稳幅高精度的交流信号源。由于连续充放电测量信号中具有脉动噪声，需要先进行滤波除去其中的脉动成分，但滤波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈。另外，电荷转移法是利用电子开关网络控制电路的充放电，电子开关的电荷注入效应对测量结果的影响还难以完全消除；交流法需要考虑相位补偿，电路结构相对复杂，成本也较高。
一种新的方式是采用美国模拟器件公司的高精度、完全集成的电容数字转换器(CDC)。它解决了从电容到数字直接转换的复杂而困难的信号处理难题。由于将先进的信号处理技术和高集成度制造工艺相结合，AD7746达到了以前只能通过需要大量的分立元件支持的传统模拟电压数字转换器才可能达到的精度水平(AD7746是一种高精度，∑-Δ电容数字转换芯片。被检测的电容直接连接到芯片的输入端即可)。此芯片具有很高的分辨率(24位无误码，达到21位有效分辨率)，优秀的线性度(±0.01％)和精度(±4fF)。AD7746的电容输入范围为0～8pF。)。ADI公司的这款器件为设计工程师提供了超过现有的电容检测分立解决方案的明显优势，因为这些分立解决方案过去一直缺乏足够的精度，并且已经证明设计困难并且成本都很高。这款器件适合于各种高性能仪表和检测应用。但是，这种方法同时也存在一个致命的缺点：此款芯片的量程为0～8pF，往往不能满足需要(大部分电容传感器的动态范围为0～100pF左右)。
发明内容
本发明提供一种通用性强、测量量程大的电容传感器量程自适应信号电路。
本发明采用如下技术方案：
一种电容传感器量程自适应信号电路，包括处理器和电容数字转换器，处理器的时钟信号输出端SCL与电容数字转换器的时钟信号输入端SCL连接，电容数字转换器的数据信号输出端SDA与处理器的数据信号输入端SDA连接，电容数字转换器的信号输出端RDY与处理器的外部中断信号输入端EXINT1连接，该电容传感器量程自适应信号电路还包括量程转换模块，处理器的标准信号输出端P0.0与量程转换模块的使能信号输入端EN连接，处理器的第一标准信号输出端P0.1、第二标准信号输出端P0.2分别与量程转换模块的第一通道选择信号输出端A0、第二通道选择信号输出端A1连接，电容数字转换器的第一激励信号输出端EXCA与量程转换模块的第一模拟信号输入端DA连接，电容数字转换器的第二激励信号输出端EXCB与量程转换模块的第二模拟信号输入端DB连接，量程转换模块的输出端作为测量端，电容数字转换器的信号输入端CIN+作为另一测量端。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通用性强而且能够扩大测量的量程范围。电容数字转换器AD7746的核心是一个由二阶调制器和三阶数字滤波器组成的高精度转换器，同时，AD7746整合了一个多路复用器，一个激励源。在通常的情况下，被测电容连接在激励源和∑-Δ调制器的输入端之间，在进行转换时，从激励源发出的方波激励信号加载在被测电容上，而调制器则连续地采集通过被测电容上的电荷。接着，数字滤波器处理调制器的输出。通过校正系数对数字滤波器的输出结果加以校正后，就能得出最终结果。经过对AD7746的内部结构和测量原理加以分析，可以得出AD7746的测量范围与激励源的激励电压值成反比的结论。于是，本发明在AD7746的激励信号输出端后连接了模拟多路开关、电阻网络和电压跟随器，根据量程的需求，应用电阻的分压原理，按照比例改变了激励信号的幅值，从测量原理的角度成比例的扩大了测量范围，增强了本发明的通用性。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是图1中模块(3)的电路框图。
图3是本发明的电路原理图。
图4本发明的工作流程图。
具体实施方式
一种电容传感器量程自适应信号电路，包括处理器1和电容数字转换器2，处理器1的时钟信号输出端SCL与电容数字转换器2的时钟信号输入端SCL连接，电容数字转换器2的数据信号输出端SDA与处理器1的数据信号输入端SDA连接，电容数字转换器2的信号输出端RDY与处理器1的外部中断信号输入端EXINT1连接，该电容传感器量程自适应信号电路还包括量程转换模块3，处理器1的标准信号输出端P0.0与量程转换模块3的使能信号输入端EN连接，处理器1的第一标准信号输出端P0.1、第二标准信号输出端P0.2分别与量程转换模块3的第一通道选择信号输出端A0、第二通道选择信号输出端A1连接，电容数字转换器2的第一激励信号输出端EXCA与量程转换模块3的第一模拟信号输入端DA连接，电容数字转换器2的第二激励信号输出端EXCB与量程转换模块3的第二模拟信号输入端DB连接，量程转换模块3的输出端作为测量端41，电容数字转换器2的信号输入端CIN+作为另一测量端42。
所述的量程转换模块3包括模拟多路开关31、电阻网路32和电压跟随器33，模拟多路开关31的S1A端连接电阻网路32中的第一电阻R1，模拟多路开关31的S2A端连接电阻网路32中的第二电阻R2，模拟多路开关31的S3A端连接电阻网路32中的第三电阻R3，模拟多路开关31的S4A端连接电阻网路32中的第四电阻R4，模拟多路开关31的S1B端连接电阻网路32中的第五电阻R5，模拟多路开关31的S2B端连接电阻网路32中的第六电阻R6，模拟多路开关31的S3B端连接电阻网路32中的第七电阻R7，上述电阻形成电阻网路32，且该电阻网路32的公共输出端与电压跟随器33的反向输入端连接，电压跟随器33的输出端作为量程转换模块3的输出端。
在本实施例中，处理器1的型号为LPC2132，电容数字转换器2的型号为AD7746，模拟多路开关31的型号为ADG709，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7的电阻值分别为120K、140K、100K、0、130K、160K、150K，需选用精度等级高、温度参数优良的电阻，电压跟随器33的型号为AD8628；其中ADG709是一种低电压，CMOS型模拟多路开关，其通过2位二进制地址线A0和A1，来切换四路差分输入端中的一路到公共差分输出端，ADG的导通电阻典型值为3欧姆，电压跟随器33为运算放大器AD8628，AD8628的偏置电压典型值为1uV，压摆率为1V/uS，带宽2.5MHz。
图4为本发明电容传感器量程自适应信号电路的工作流程图。首先，对电路进行初始化：1、设置AD7746的激励电压为EXCB，and inverted EXCA，level±VDD/2，即改变EXC设置寄存器的值为0x27；2、设置ADG709的A0A1为00，然后启动电容数字转换，转换结束后读取测量结果，若电容值大于120pF，则测量完毕；若小于120pF大于40pF，则设置ADG709的A0A1为10，待开关切换到S2后，再次启动电容数字转换，读取电容值；若小于40pF大于8pF，则设置ADG709的A0A1为01，待开关切换到S3后，启动电容数字转换，读取电容值；若小于8pF，则设置ADG709的A0A1为11，待开关切换到S4后，启动电容数字转换，读取电容值。
对于某些电容传感器的值随温度变化较大的场合，可在得到电容值后，根据AD7746片内温度传感器检测的温度值，进行温度补偿，以使此电路获得更好的通用性。
Claims (4)
1.一种电容传感器量程自适应信号电路，包括处理器(1)和电容数字转换器(2)，处理器(1)的时钟信号输出端SCL与电容数字转换器(2)的时钟信号输入端SCL连接，电容数字转换器(2)的数据信号输出端SDA与处理器(1)的数据信号输入端SDA连接，电容数字转换器(2)的信号输出端RDY与处理器(1)的外部中断信号输入端EXINT1连接，其特征在于该电容传感器量程自适应信号电路还包括量程转换模块(3)，处理器(1)的标准信号输出端P0.0与量程转换模块(3)的使能信号输入端EN连接，处理器(1)的第一标准信号输出端P0.1、第二标准信号输出端P0.2分别与量程转换模块(3)的第一通道选择信号输出端A0、第二通道选择信号输出端A1连接，电容数字转换器(2)的第一激励信号输出端EXCA与量程转换模块(3)的第一模拟信号输入端DA连接，电容数字转换器(2)的第二激励信号输出端EXCB与量程转换模块(3)的第二模拟信号输入端DB连接，量程转换模块(3)的输出端作为测量端(41)，电容数字转换器(2)的信号输入端CIN+作为另一测量端(42)。
2.根据权利要求1所述的电容传感器量程自适应信号电路，其特征在于所述的量程转换模块(3)包括模拟多路开关(31)、电阻网路(32)和电压跟随器(33)，模拟多路开关(31)的S1A端连接电阻网路(32)中的第一电阻(R1)，模拟多路开关(31)的S2A端连接电阻网路(32)中的第二电阻(R2)，模拟多路开关(31)的S3A端连接电阻网路(32)中的第三电阻(R3)，模拟多路开关(31)的S4A端连接电阻网路(32)中的第四电阻(R4)，模拟多路开关(31)的S1B端连接电阻网路(32)中的第五电阻(R5)，模拟多路开关(31)的S2B端连接电阻网路(32)中的第六电阻(R6)，模拟多路开关(31)的S3B端连接电阻网路(32)中的第七电阻(R7)，上述电阻形成电阻网路(32)，且该电阻网路(32)的公共输出端与电压跟随器(33)的反向输入端连接，电压跟随器(33)的输出端作为量程转换模块(3)的输出端。
3.根据权利要求1所述的电容传感器量程自适应信号电路，其特征在于所述的处理器(1)的型号为LPC2132，电容数字转换器(2)的型号为AD7746。
4.根据权利要求2所述的电容传感器量程自适应信号电路，其特征在于所述的模拟多路开关(31)的型号为ADG709，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)的电阻值分别为120K、140K、100K、0、130K、160K、150K，电压跟随器(33)的型号为AD8628。
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