本次在線座談主要介紹了ADI先進的阻抗與電容測量轉換器的原理及應用。本文包括兩部分內容：第一部分主要討論阻抗轉換器，第二部分主要討論電容轉換器。在這兩部分中，我們先回顧電阻和電容測量方法的主要特點，然后介紹ADI針對這兩種應用推出的先進的阻抗數字轉換器及電容數字轉化器。

一。阻抗轉換器

阻抗定義

現實世界的電路元件很復雜，除表現出電阻特性外，還會表現出電容特性和電感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一個通用概念，它不僅考慮了元件在特定頻率條件下的阻值，還考慮了在此頻率下的相位關系。

通過測量一系列頻點下的阻抗，可以獲取有關待測元件的特性。這是阻抗頻譜法的基礎，也是許多工業、儀器儀表和汽車傳感器應用的理論基礎。

阻抗頻譜法阻抗頻譜法利用了電阻器、電感器和電容器所表現出來的不同頻率特性。理想電阻器對所有頻率都具有恒定的阻抗，理想電感器的阻抗會隨頻率增高而增大，理想電容器的阻抗會隨頻率增高而減小。

通過對未知元件進行掃頻，如對一個化學傳感器考察其阻抗與頻率的關系，便可以確定它是阻性元件、感性元件還是容性元件。通常產生的響應信號的實部和虛部系數與頻率的關系曲線如圖1所示。

阻抗頻譜法包含兩個層次的應用，包括：

1 定性地確定傳感器的阻抗特征。首先在正常工作的條件下確定一個元件或者傳感器的特征是“正常”的，然后該系統在可接受的限制條件之下檢測其阻抗特征，其典型應用是金屬識別和接近檢測。

2.采用阻抗頻譜法定量地測量待測元件的實際阻抗參數。在這種情況下，需要建立一個等效電路模型來模擬待測元件。這種待測元件通常是一種電化學或生物醫學現象，所以需要根據測量到的阻抗特征調整該等效電路以便使其與測量數據最佳匹配。采用這種方法可以對特定待測物進行分析。

阻抗頻譜法的重要應用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系統

圖2給出了典型的阻抗分析系統的簡化功能框圖。頻率激勵由DDS產生，DDS的輸出頻率在施加于未知阻抗之前通常要經過濾波和放大。利用ADC對未知阻抗前、后的波形分別進行采樣，然后送入DSP做進一步處理。這種簡單的功能框圖掩蓋了幾個基本問題。第一個問題，ADC必須對信號在所有頻率范圍內進行同步采樣，這樣才能比較激勵波形和響應波形以便獲得相位信息。對此過程的優化是提高系統總性能的關鍵。第二個問題，因為采用了大量的分立元件，所以元件誤差和溫度漂移以及附加的噪聲都會對測量精度產生不利的影響，尤其是在小信號工作的條件下。除了元件選擇和PCB尺寸問題，大量分立元件還會給誤差分析帶來計算困難。

因此，ADI公司開發了新的阻抗轉換器結構以便解決上述問題。

阻抗轉換器AD5933是一個1M采樣率，12 bit分辨率的阻抗轉換器，簡稱為IDC。它解決了前面列舉的諸多問題，并集成了激勵電路和響應處理電路。它采用DDS產生預先確定的掃頻，其控制分辨率為0.1 Hz，最高頻率可達100 kHz。利用上述頻率激勵未知阻抗，然后通過片內的ADC對其響應波形進行數字化。

該器件的關鍵特點之一是它能做離散傅氏變換（DFT），將每個掃頻點的實部和虛部值都提供給用戶。使用這些值就可以方便地計算出響應信號的幅度和相對相位信息。其工作原理是，首先將頻率施加在未知的阻抗上，該阻抗可以是阻性、容性、感性或者幾種的組合。用戶需要外接反饋電阻來防止響應信號超過ADC的量程并且保證系統的線性特性。通過電阻選擇，可以測量從100 ～10 M 的阻抗，并且測量精度可達到0.5%。ADC的輸出會送到片內DFT模塊進行數字處理，以便提取出其實部和虛部。因有評估軟件支持，允許將外部阻抗連接到評估板，所以很容易生成阻抗與頻率的關系曲線。

電容數字轉換器

單電極電容傳感器的缺點

1）需要從傳感器到地的虛擬電容耦合。

2）信號測量路徑中存在寄生電容，所以會導致不可重復和無法預知的測量結果。

3）無法增加附加的輸入保護電路。

雙電極電容傳感器的優點

1）它不依賴于電容對地耦合。

2）它對寄生電容不敏感，意味著它只將信號電荷傳遞給轉換器。這樣就可以實現可預知的性能和簡單得多的設計。

3）設計工程師可以根據需要增加附加的輸入保護電路。

電容測量方法

傳統地，檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一般說來，電容的測量需要對電容器電極施加一個激勵源。然后將電容的變化轉換為電壓、電流、頻率或者脈沖寬度的變化。

典型的電容測量方法包括：

a.“直接”方法，首先按照規定的時間長度用特定的電流源對待測電容器充電，然后測量該電容器兩端的電壓。這種方法需要小電流、高精密電流源和高輸入阻抗才能測量出電壓。

b.首先用待測的電容器構成一個RC振蕩器，然后測量時間常數、頻率或周期。這種方法很簡單，但是通常不能達到高精度。

c.測量待測電容器的交流（AC）阻抗。用一個正弦波信號源激勵該電容器，然后測量該電容器的電流和電壓。使用四線制連接到該電容器，使用比例測量方法，用一個同步解調器提供最精確的結果。但是，這種電路非常復雜而且需要的器件數量多。

∑-ΔADC

a.∑-Δ體系架構

∑-Δ是一種成熟的技術，許多年來一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。圖3給出了工業標準單芯片 - ADC的簡化體系結構。電容器的CIN和CREF周期性地切換到電壓輸入VIN和參考輸入VREF，它們將電荷存儲到積分器CINT中。比較器檢測積分器的輸出并控制輸入開關的相位以構成閉環反饋環路，從而它使通過電壓輸入路徑和參考輸入路徑的電荷流動保持平衡。所有閉環反饋環路系統的目的都是為了達到平衡，或者換句話說是實現零誤差。這就是∑-Δ ADC要盡力實現的目標。

比較器會輸出由‘0’和‘1’組成的碼流，它會隨著用于環路平衡的電荷量而變化。電荷量與電壓和電容成正比。因為電容的值是固定的，所以‘0’和‘1’的密度就表示輸入電壓（VIN）相對參考電壓（VREF）的比率。因此，全‘1’的恒定碼流表示滿量程，而全‘0’則表示零位或零點。經過后續數字濾波器處理，我們可以得到輸入電壓轉換結果。

這種體系結構的固有特點是高線性度和高精度，但是在分辨率和速度之間會有折衷。為了獲得高精度，數字濾波器會花費較長的處理時間。該轉換器的分辨率受系統噪聲的限制。另外，輸出數據速率受到時鐘頻率的限制，時鐘頻率取決于開關速度、積分器帶寬和比較器建立時間。

b.∑-Δ與電容傳感器

標準的∑-ΔADC通過在芯片內的固定電容器和外界輸入之間切換實現轉換。如果電荷與電壓和電容都成正比，在這種情況下既然電容是變化的，那么為什么不使用固定的電壓來代替固定的電容？

基于此提出了改進的∑-ΔADC電路。固定輸入電壓可以看作電壓激勵源，被移至芯片外的可變電容器可以看作一個電容傳感器。結果，輸出數據將表示傳感器電容相對CREF變化的比率。輸入端的電荷是不變電容和可變電容之和。其中，要測量的電容是可變電容。通過芯片內的CAPDAC（這里沒有示出），可從電荷反饋環路中減去由不變電容產生的電荷。

∑-ΔADC電路上述創新的思想允許電容傳感器與∑-ΔADC直接連接，它具有高分辨率、高精度和高線性度等固有特點。在實際使用本電路體系結構時還有以下兩個特點：

a.其接口對傳感器節點與地之間的電容以及對地的漏電流都不敏感，這兩點根據實際電路都會引起特定的限制。

b.完整的電容數字轉換器可以在單芯片中實現，因此具有高集成度、系統容易實現、高可重復性和高可靠性的特點，最后并且很重要的一點就是顯著降低了系統成本。

電容傳感器應用實例

電容傳感器的一個典型應用是壓力檢測，下面以此為例介紹電容傳感器的具體應用。 壓力傳感器的電路圖主要由兩個電容極板構成，見圖4。當對傳感器施加壓力時，電容極板就會互相靠近。這就有效地減小了兩極板之間的距離‘d’，從而增大了電容。可以采用一個溫度傳感器來檢測傳感器溫度的變化，因為其特性會隨溫度而變化。CDC的一個ADC電壓通道用于周期性地測量溫度。壓力傳感器在工業、汽車和醫學應用中有著廣泛的應用。

ADI公司現已推出首批高精度單芯片電容數字轉換器。該電容傳感器允許不變的共模電容輸入范圍是0 ～17 pF，滿度電容輸入范圍為 4 pF。芯片的最大有效分辨率（ENOB）為21 bit。從電容值來看，這就意味著該芯片可以分辨的最小輸入電容變化值為4 aF（阿法）――大約相當于25 aF的“實際”噪聲自由電容。有人問過1 aF是多少，1 aF等于10“18F （法拉）。所以，25 aF等于0.025 fF。

該器件在 40～＋125℃的溫度范圍內能達到規定的技術指標，最大功耗電流僅為850 A，具有一個I2C接口，采用16引腳TSSOP封裝。首批CDC系列產品有三款器件，分別是AD7745，AD7746和AD7747。

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