ADI公司的精密电容测量方案分享

beyond_笑谈 发表于 2023-9-19 10:02

<div class='showpostmsg'>方案主题： ADI公司精密电容测量方案 
设计背景：在产品设计中，需要动态采集微弱电容值（pF级别）并将容值反馈给单片机进行对应的信号判断及逻辑控制。

方案选型：AD7747

 

设计方案一：基于ADI公司的AD7747进行微弱电容值测量

AD7747基本介绍:

1. AD7747是一款24位电容数字转换器(CDC)。可以测量接地式容性传感器的电容，即传感器直接连接至AD7747输入引脚。 
2. 测量精度：10 fF 
3. 测量线性度：0.01%

4. 共模式电容值测量最高：17pF

5. 集成温度测量功能： 
    5.1 温度测量分辨率：0.1°C 
    5.2 温度测量误差：±2°C

6. 通过I2C总线将测量值传给单片机 
7. 单电源供电： 
    7.1 供电范围： 2.7V - 5.25V 
    7.2 低功耗： 0.7mA 
8. 工作温度范围： –40°C  ~  +125°C

 

AD7747引脚介绍:

pin1: SCL  (I2C总线时钟)

pin2: RDY_n  (逻辑状态输出指示，不用可以空接)

pin3: SHLD (电容输入屏蔽，不用可以空接)

pin4: TST (预留空接即可)

pin5,6:  REFIN(+), REFIN(−)  (差分电压输入，不用可以空接或者接地)

pin7,8: CIN1(-), CIN1(+)  如果设计为差分测量，两端接被测电容。如果设计为单端测量，测量电容输入接pin8，pin7空接即可

pin9,10: NC  空接

pin11,12: VIN(+), VIN(−)  (芯片内部ADC的差分电压输入，不用可以空接或者接地)

pin13: GND 

pin14: VDD

pin15: NC 空接

pin16： SDA  (I2C总线数据)

 

AD7747的内部功能框图如下，从内部图可见：

1. AD7747集成了温度，电压，电容检测功能。

2. AD7747通过I2C总线将采集数据传送至单片机。

<img alt="AD7747内部框图.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202309/21/151140huhn3ulmnmnuuipm.png.thumb.jpg" />

AD7747检测电容值的基本电路图如下，由于其他功能未用，故没有连接

 

<img alt="AD7747电路图.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202309/22/150606v3wepwl1uwmpq8u1.png.thumb.jpg" />

 

上面的电路经过实际测试，可以实现功能。测试的电路板如下图，仅供参考

 

<img alt="AD7747电路板反面.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202309/22/151148cogxuojz7qsw5657.png.thumb.jpg" />

<img alt="AD7747电路板正面.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202309/22/151154ypekeqncuw06ubzq.png.thumb.jpg" />

上图中，电路板正面右上角U4就是AD7747. ADI官网提供了一些设计和应用参考。可以通过下方链接查看

ADI官网AD7747链接： <a href="https://www.analog.com/cn/products/ad7747.html" target="_blank">ADI - AD7747 </a> 

 

如果在设计AD7747的软件时不太熟悉，可以先参考AD7746的评估板（提供参考程序方案）。 
这两个芯片的区别是：AD7746是针对浮地测量电容，AD7747是针对接地测量电容。

AD7746的评估板资料请见下方文档链接

<div></div>

在产品设计中，还需要加入滤波器电路。连接到CIN引脚的二阶滤波器和连接到EXC引脚的一阶滤波器的元件值如图所示。使用一个3.995pF电容来代替容性传感器。二阶滤波器的截止频率是455kHz，在32 kHz的相移是−8.4°，在1 MHz的衰减是-15.5 dB。

 

<img alt="滤波器.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/093559mlyd6pccy20xoryq.png" />

 

与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7747的转换精度。下图是输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波器时，失调误差为0.05 pF(1.21% FS)，而增益误差为−0.014pF(−0.34% FS)。

 

<img alt="传递函数.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/111749l6w7fzkpu33w6z7g.png" />

 

采用轻型滤波器时的EMC性能也会有变化。当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100MHz并以10 MHz为步进从100MHz扫描到1000 MHz时，在低频下存在容性传感器读数误差。该误差在低频下一般为1.2% FS。在更高频，误差一般降低至0.015% FS。当以200Hz为步进在1 MHz至5 MHz范围内进行DPI测试时，器件对32kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性，测得最大误差为2.2% FS。

从1 MHz到1000 MHz的扫描如下：

 

<img alt="FS 1MHz - 1000MHz.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/112306g100lc8vml1iid8v.png" />

 

CIN FS误差：以200Hz为步进从1MHz到5MHz的精细扫描如下

 

<img alt="FS-1MHz5MHz.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/113824ij824uzf2c6b61g6.png" />

 

当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz时，峰峰值(p-p)噪声在1 MHz至2 MHz时最高(3.8 fF)。在740 MHz和820 MHz时，p-p噪声为2.6 fF。在所有其他频率时该噪声均低于2.5 fF。

 

<img alt="FS P-P 1MHz - 1000MHz.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/114111ighl7g39g1z10iz3.png" />

 

红线表示当不施加RF频率时的峰峰值噪声。当以200 Hz为步进在1 MHz至5 MHz范围内重复DPI测试时，可看到器件对32 kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性。峰峰值噪声在1 MHz附近最高，为620 fF。

 

<img alt="FS P-P -1MHz-5MHz.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/18/114256yukofrkezi8i5uzi.png" />

 

EXC引脚在没有外部滤波器的情况下经过EMC测试。当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，低频处误差为6%。频率高达700 MHz时，误差为40%。频率超过700 MHz时，误差增加。

 

<img alt="FS 1MHz - 1000MHz 无滤波器.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/19/114059ghtjzfihixgnhlih.png" />

 

RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，最大峰峰值噪声为70 fF。

 

<img alt="FS P-P 1MHz - 1000MHz 无滤波器.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/19/114253di44dlebeklec4fb.png" />

 

连接至EXC引脚的滤波器可防止RF频率进入芯片。EXC引脚内部出现的任何信号均可内部耦合到CIN。一阶滤波器足以保护EXC引脚。但施加至EXC引脚的RF信号通过电容CSENSOR耦合并出现在CIN上。有外部滤波器时的EMC性能如下： 
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，测得满量程误差在1 MHz时最大，为0.0431%。对于更高频率，误差小于0.008%。

 

<img alt="FS 1MHz - 1000MHz 有滤波器.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/19/114657hinzw5aq0amnwq61.png" />

 

当RF频率以1MHz为步进从1MHz扫描到100MHz并以10MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz时，峰峰值噪声在1 MHz时最高(5.8 fF)。对于更高频率，最大峰峰值噪声为2.5 fF。

 

<img alt="FS P-P 1MHz - 1000MHz 有滤波器.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/19/114757bfv3p933vy53oksf.png" />

 

低滤波水平的前端配置对电容输入性能影响较小。但在容性传感器电极处，只需少量接触电磁场就会造成电容性能下降。因此，这些滤波器适用于非恶劣EMC环境。如果要求系统在恶劣的汽车或工业环境内可靠运行，就必须进行谨慎的PCB布局.

高滤波水平的前端配置在增益和失调误差方面对电容输入性能产生较大影响。这些滤波器适用于如下应用：绝对值并不十分重要，但关键系统性能有赖于在抗EMC性能和高电容分辨率之间取得良好平衡。这些配置应当用于雨量传感或近程传感等应用.

总之，应在EMC性能和AD7747性能之间求得最佳平衡(如下图)。使用何种滤波器由系统应用环境以及系统对AD7747的性能要求决定。

 

<img alt="CAP-EMC.png" src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202310/30/085145l3fa3o0ozk4zew5i.png" />

 
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beyond_笑谈 发表于 2023-9-21 15:10

本帖最后由 beyond_笑谈于 2023-9-21 15:11 编辑

AD7747的内部功能框图如下，从内部图可见：

1. AD7747集成了温度，电压，电容检测功能。

2. AD7747通过I2C总线将采集数据传送至单片机。

beyond_笑谈 发表于 2023-9-22 15:06

AD7747检测电容值的基本电路图如下，由于其他功能未用，故没有连接

beyond_笑谈 发表于 2023-9-22 15:11

上面的电路经过实际测试，可以实现功能。测试的电路板如下图，仅供参考

beyond_笑谈 发表于 2023-9-22 15:15

上图中，电路板正面右上角U4就是AD7747. ADI官网提供了一些设计和应用参考。可以通过下方链接查看

ADI官网AD7747链接： <a href="https://www.analog.com/cn/products/ad7747.html" target="_blank">ADI - AD7747 </a>

beyond_笑谈 发表于 2023-9-22 15:33

如果在设计AD7747的软件时不太熟悉，可以先参考AD7746的评估板（提供参考程序方案）。 
这两个芯片的区别是：AD7746是针对浮地测量电容，AD7747是针对接地测量电容。

AD7746的评估板资料请见下方文档链接

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 09:35

在产品设计中，还需要加入滤波器电路。连接到CIN引脚的二阶滤波器和连接到EXC引脚的一阶滤波器的元件值如图所示。使用一个3.995pF电容来代替容性传感器。二阶滤波器的截止频率是455kHz，在32 kHz的相移是−8.4°，在1 MHz的衰减是-15.5 dB。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 11:17

与CIN和EXC引脚连接的外部滤波器影响AD7747的转换精度。下图是输入到输出传递函数的变化。使用外部滤波器时，失调误差为0.05 pF(1.21% FS)，而增益误差为−0.014pF(−0.34% FS)。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 11:23

采用轻型滤波器时的EMC性能也会有变化。当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100MHz并以10 MHz为步进从100MHz扫描到1000 MHz时，在低频下存在容性传感器读数误差。该误差在低频下一般为1.2% FS。在更高频，误差一般降低至0.015% FS。当以200Hz为步进在1 MHz至5 MHz范围内进行DPI测试时，器件对32kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性，测得最大误差为2.2% FS。

从1 MHz到1000 MHz的扫描如下：

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 11:38

CIN FS误差：以200Hz为步进从1MHz到5MHz的精细扫描如下

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 11:41

当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz时，峰峰值(p-p)噪声在1 MHz至2 MHz时最高(3.8 fF)。在740 MHz和820 MHz时，p-p噪声为2.6 fF。在所有其他频率时该噪声均低于2.5 fF。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-18 11:43

红线表示当不施加RF频率时的峰峰值噪声。当以200 Hz为步进在1 MHz至5 MHz范围内重复DPI测试时，可看到器件对32 kHz倍频附近的窄带频率有一定敏感性。峰峰值噪声在1 MHz附近最高，为620 fF。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-19 11:41

EXC引脚在没有外部滤波器的情况下经过EMC测试。当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，低频处误差为6%。频率高达700 MHz时，误差为40%。频率超过700 MHz时，误差增加。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-19 11:42

RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10 MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，最大峰峰值噪声为70 fF。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-19 11:45

本帖最后由 beyond_笑谈于 2023-10-19 11:47 编辑

连接至EXC引脚的滤波器可防止RF频率进入芯片。EXC引脚内部出现的任何信号均可内部耦合到CIN。一阶滤波器足以保护EXC引脚。但施加至EXC引脚的RF信号通过电容CSENSOR耦合并出现在CIN上。有外部滤波器时的EMC性能如下： 
当RF频率以1 MHz为步进从1 MHz扫描到100 MHz并以10MHz为步进从100 MHz扫描到1000 MHz时，测得满量程误差在1 MHz时最大，为0.0431%。对于更高频率，误差小于0.008%。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-19 11:48

当RF频率以1MHz为步进从1MHz扫描到100MHz并以10MHz为步进从100MHz扫描到1000MHz时，峰峰值噪声在1 MHz时最高(5.8 fF)。对于更高频率，最大峰峰值噪声为2.5 fF。

beyond_笑谈 发表于 2023-10-30 08:51

低滤波水平的前端配置对电容输入性能影响较小。但在容性传感器电极处，只需少量接触电磁场就会造成电容性能下降。因此，这些滤波器适用于非恶劣EMC环境。如果要求系统在恶劣的汽车或工业环境内可靠运行，就必须进行谨慎的PCB布局.

高滤波水平的前端配置在增益和失调误差方面对电容输入性能产生较大影响。这些滤波器适用于如下应用：绝对值并不十分重要，但关键系统性能有赖于在抗EMC性能和高电容分辨率之间取得良好平衡。这些配置应当用于雨量传感或近程传感等应用.

总之，应在EMC性能和AD7747性能之间求得最佳平衡(如下图)。使用何种滤波器由系统应用环境以及系统对AD7747的性能要求决定。

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