單芯片電容測量方案PCAP01原理

1 前言

　　對于電容傳感器的測量來說，傳統的電路方式有其無法克服的局限性。復雜的模擬電路設計，難以擴展的電容測量范圍，都會給開發帶來非常大的阻力。

　　德國acam公司專利的PICOCAP®測量原理則給電容測量提供了革命性的突破。在2011年推出了最新的帶有內部DSP單片機的單芯片電容測量方案PCAP01, 這個芯片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。

　　2.概述

　　PCap01為帶有單片機處理單元的一款專門進行電容測量的電容數字轉換單芯片方案。這顆芯片測量范圍覆蓋了從幾fF到幾百nF，而且可以非常簡單的通過配置來滿足各種不同應用的需求。PCap01既適合超低功耗最低至幾個uA的測量，也適合高精度達到21位有效位的高性能測量，還可以進行最高達50萬次每秒鐘的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量,低功耗測量以及快速測量應用的的完美結合。傳感器數據可以在芯片內部進行現行校準，然后通過SPI或者IIC數據串行接口進行傳送。另外，芯片還可以通過IO口來發送 PWM/PDM 輸出電壓信號。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通IO口來應用。

　　PCap01 有非常小的QFN封裝尺寸，僅需要極少數量的外部元器件 (至少需要2個外部雙通電容) ，使整個系統的設計非常緊湊而且降低成本，適合很廣泛的電容測量。

　　3. PICOCAP 測量原理介紹

　　PICOCAP 測量原理展示了對于電容測量的新的革命性的方式。在這個原理中，一個傳感器的電容和一個參考電容被連接到同一個放電電阻，組成了一個Low-pass低通濾波。

　　電容首先被充電到電源電壓，然后通過電阻進行放電。而放電到一個可控制闞值電壓的水平將會被芯片內部的非常高精度時間數字轉換器TDC所記錄下來。

　　這個測量過程將會在傳感器和參考電容上重復交錯進行，應用同樣的電阻。計算的結果是測量的比值結果，是與電阻和比較器溫度相關性有關。傳感器和參考電容數值的選擇應該為統一范圍來降低增益偏移。實踐角度講，對于被測電容沒有大小的限制。傳感器幾乎可以從0fF到幾十nf。PICOCAP同時也支持差動電容傳感器的測量帶有內部的線性補償。

　　4. PCAP01芯片主要特點

　　Pcap01芯片為一顆單芯片電容測量方案，猶如下一些特性：

　　一顆芯片可以適合多種應用，測量靈活性非常高:

　　a) 低測量功耗，在10Hz最低僅2 µA

　　b) 測量精度最高達 22 位有效位, 4 aF rms 精度

　　c) 測量頻率可以最高達500 kHz

　　非常寬的電容測量范圍, 從幾 fF 到上百nF

　　超低增益和offset漂移

　　18 位高分辨率溫度測量

　　48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

　　內部或者外部時鐘振蕩

　　最多可以支持6個IO口

　　IIC, SPI, PWM, PDM 接口

　　寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V

　　寬操作溫度范圍( -40 ℃ 到 +125℃)

　　QFN32 或者 QFN24 封裝

　　內部結構原理圖：

　　Pcap01發揮了PICOCAP®測量原理的高精度優勢，使電容測量達到了一個前所未有的水平。根據傳感器和參考電容大小不同，以及所選擇的測量模式的不同，我們有如下測量數據。這個測量數據為典型測量噪聲精度vs.數據輸出頻率, 我們的測試是應用Pcap01評估系統以及10pF參考電容和1pf的Span加載電容完成。芯片的電壓為 V = 3.0 V：

　　上面表格中可以 看到，我們分別給出了floating漂移模式和Grounded接地模式兩種情況。當應用漂移模式，完全補償的情況下，在5Hz輸出時測量的RMS噪聲為6aF，測量有效位高達20.7位!在選擇不同測量頻率的不同設置情況下，精度和速度的相對關系在表格中給出。 當然隨基礎電容大小不同，測量的有效分辨率也會有所不同。

　　當應用補償模式進行高精度測量時，可以使測量有非常低的增益和零點漂移。電容可以連接為接地，漂移模式。而傳感器和參考電容是通過內部集成的模擬開關選擇到放電網路中。另外由于專利的電路和補償算法，內部可以補償寄生電容。補償的結果可以達到在溫度范圍內僅0.5 ppm /K 增益偏移。這比絕大多數傳感器本身內部偏移要好得多。