阻抗与电容测量转换器的工作原理、特点和应用

本次在线座谈主要介绍了ADI先进的阻抗与电容测量转换器的原理及应用。本文包括两部分内容：第一部分主要讨论阻抗转换器，第二部分主要讨论电容转换器。在这两部分中，我们先回顾电阻和电容测量方法的主要特点，然后介绍ADI针对这两种应用推出的先进的阻抗数字转换器及电容数字转化器。

一。阻抗转换器

阻抗定义

现实世界的电路元件很复杂，除表现出电阻特性外，还会表现出电容特性和电感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一个通用概念，它不仅考虑了元件在特定频率条件下的阻值，还考虑了在此频率下的相位关系。

通过测量一系列频点下的阻抗，可以获取有关待测元件的特性。这是阻抗频谱法的基础，也是许多工业、仪器仪表和汽车传感器应用的理论基础。

阻抗频谱法阻抗频谱法利用了电阻器、电感器和电容器所表现出来的不同频率特性。理想电阻器对所有频率都具有恒定的阻抗，理想电感器的阻抗会随频率增高而增大，理想电容器的阻抗会随频率增高而减小。

通过对未知元件进行扫频，如对一个化学传感器考察其阻抗与频率的关系，便可以确定它是阻性元件、感性元件还是容性元件。通常产生的响应信号的实部和虚部系数与频率的关系曲线如图1所示。

阻抗频谱法包含两个层次的应用，包括：

1 定性地确定传感器的阻抗特征。首先在正常工作的条件下确定一个元件或者传感器的特征是“正常”的，然后该系统在可接受的限制条件之下检测其阻抗特征，其典型应用是金属识别和接近检测。

2.采用阻抗频谱法定量地测量待测元件的实际阻抗参数。在这种情况下，需要建立一个等效电路模型来模拟待测元件。这种待测元件通常是一种电化学或生物医学现象，所以需要根据测量到的阻抗特征调整该等效电路以便使其与测量数据最佳匹配。采用这种方法可以对特定待测物进行分析。

阻抗频谱法的重要应用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系统

图2给出了典型的阻抗分析系统的简化功能框图。频率激励由DDS产生，DDS的输出频率在施加于未知阻抗之前通常要经过滤波和放大。利用ADC对未知阻抗前、后的波形分别进行采样，然后送入DSP做进一步处理。这种简单的功能框图掩盖了几个基本问题。第一个问题，ADC必须对信号在所有频率范围内进行同步采样，这样才能比较激励波形和响应波形以便获得相位信息。对此过程的优化是提高系统总性能的关键。第二个问题，因为采用了大量的分立元件，所以元件误差和温度漂移以及附加的噪声都会对测量精度产生不利的影响，尤其是在小信号工作的条件下。除了元件选择和PCB尺寸问题，大量分立元件还会给误差分析带来计算困难。

因此，ADI公司开发了新的阻抗转换器结构以便解决上述问题。

阻抗转换器AD5933是一个1M采样率，12 bit分辨率的阻抗转换器，简称为IDC。它解决了前面列举的诸多问题，并集成了激励电路和响应处理电路。它采用DDS产生预先确定的扫频，其控制分辨率为0.1 Hz，最高频率可达100 kHz。利用上述频率激励未知阻抗，然后通过片内的ADC对其响应波形进行数字化。

该器件的关键特点之一是它能做离散傅氏变换（DFT），将每个扫频点的实部和虚部值都提供给用户。使用这些值就可以方便地计算出响应信号的幅度和相对相位信息。其工作原理是，首先将频率施加在未知的阻抗上，该阻抗可以是阻性、容性、感性或者几种的组合。用户需要外接反馈电阻来防止响应信号超过ADC的量程并且保证系统的线性特性。通过电阻选择，可以测量从100 ～10 M 的阻抗，并且测量精度可达到0.5%。ADC的输出会送到片内DFT模块进行数字处理，以便提取出其实部和虚部。因有评估软件支持，允许将外部阻抗连接到评估板，所以很容易生成阻抗与频率的关系曲线。

电容数字转换器

单电极电容传感器的缺点

1）需要从传感器到地的虚拟电容耦合。

2）信号测量路径中存在寄生电容，所以会导致不可重复和无法预知的测量结果。

3）无法增加附加的输入保护电路。

双电极电容传感器的优点

1）它不依赖于电容对地耦合。

2）它对寄生电容不敏感，意味着它只将信号电荷传递给转换器。这样就可以实现可预知的性能和简单得多的设计。

3）设计工程师可以根据需要增加附加的输入保护电路。

电容测量方法

传统地，检测电容传感器的电荷变化的困难在于实现高性能、低成本的电容输入的信号处理前端。一般说来，电容的测量需要对电容器电极施加一个激励源。然后将电容的变化转换为电压、电流、频率或者脉冲宽度的变化。

典型的电容测量方法包括：

a.“直接”方法，首先按照规定的时间长度用特定的电流源对待测电容器充电，然后测量该电容器两端的电压。这种方法需要小电流、高精密电流源和高输入阻抗才能测量出电压。

b.首先用待测的电容器构成一个RC振荡器，然后测量时间常数、频率或周期。这种方法很简单，但是通常不能达到高精度。

c.测量待测电容器的交流（AC）阻抗。用一个正弦波信号源激励该电容器，然后测量该电容器的电流和电压。使用四线制连接到该电容器，使用比例测量方法，用一个同步解调器提供最精确的结果。但是，这种电路非常复杂而且需要的器件数量多。

∑-ΔADC

a.∑-Δ体系架构

∑-Δ是一种成熟的技术，许多年来一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。图3给出了工业标准单芯片 - ADC的简化体系结构。电容器的CIN和CREF周期性地切换到电压输入VIN和参考输入VREF，它们将电荷存储到积分器CINT中。比较器检测积分器的输出并控制输入开关的相位以构成闭环反馈环路，从而它使通过电压输入路径和参考输入路径的电荷流动保持平衡。所有闭环反馈环路系统的目的都是为了达到平衡，或者换句话说是实现零误差。这就是∑-Δ ADC要尽力实现的目标。

比较器会输出由‘0’和‘1’组成的码流，它会随着用于环路平衡的电荷量而变化。电荷量与电压和电容成正比。因为电容的值是固定的，所以‘0’和‘1’的密度就表示输入电压（VIN）相对参考电压（VREF）的比率。因此，全‘1’的恒定码流表示满量程，而全‘0’则表示零位或零点。经过后续数字滤波器处理，我们可以得到输入电压转换结果。

这种体系结构的固有特点是高线性度和高精度，但是在分辨率和速度之间会有折衷。为了获得高精度，数字滤波器会花费较长的处理时间。该转换器的分辨率受系统噪声的限制。另外，输出数据速率受到时钟频率的限制，时钟频率取决于开关速度、积分器带宽和比较器建立时间。

b.∑-Δ与电容传感器

标准的∑-ΔADC通过在芯片内的固定电容器和外界输入之间切换实现转换。如果电荷与电压和电容都成正比，在这种情况下既然电容是变化的，那么为什么不使用固定的电压来代替固定的电容？

基于此提出了改进的∑-ΔADC电路。固定输入电压可以看作电压激励源，被移至芯片外的可变电容器可以看作一个电容传感器。结果，输出数据将表示传感器电容相对CREF变化的比率。输入端的电荷是不变电容和可变电容之和。其中，要测量的电容是可变电容。通过芯片内的CAPDAC（这里没有示出），可从电荷反馈环路中减去由不变电容产生的电荷。

∑-ΔADC电路上述创新的思想允许电容传感器与∑-ΔADC直接连接，它具有高分辨率、高精度和高线性度等固有特点。在实际使用本电路体系结构时还有以下两个特点：

a.其接口对传感器节点与地之间的电容以及对地的漏电流都不敏感，这两点根据实际电路都会引起特定的限制。

b.完整的电容数字转换器可以在单芯片中实现，因此具有高集成度、系统容易实现、高可重复性和高可靠性的特点，最后并且很重要的一点就是显著降低了系统成本。

电容传感器应用实例

电容传感器的一个典型应用是压力检测，下面以此为例介绍电容传感器的具体应用。 压力传感器的电路图主要由两个电容极板构成，见图4。当对传感器施加压力时，电容极板就会互相靠近。这就有效地减小了两极板之间的距离‘d’，从而增大了电容。可以采用一个温度传感器来检测传感器温度的变化，因为其特性会随温度而变化。CDC的一个ADC电压通道用于周期性地测量温度。压力传感器在工业、汽车和医学应用中有着广泛的应用。

ADI公司现已推出首批高精度单芯片电容数字转换器。该电容传感器允许不变的共模电容输入范围是0 ～17 pF，满度电容输入范围为 4 pF。芯片的最大有效分辨率（ENOB）为21 bit。从电容值来看，这就意味着该芯片可以分辨的最小输入电容变化值为4 aF（阿法）――大约相当于25 aF的“实际”噪声自由电容。有人问过1 aF是多少，1 aF等于10“18F （法拉）。所以，25 aF等于0.025 fF。

该器件在 40～＋125℃的温度范围内能达到规定的技术指标，最大功耗电流仅为850 A，具有一个I2C接口，采用16引脚TSSOP封装。首批CDC系列产品有三款器件，分别是AD7745，AD7746和AD7747。

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