1 媒介

电容传感器在很多工业和花费类产品中都有异常广泛的应用，因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特点，在很多范畴广受青睐。而对于电容传感器的测量来说，传统的电路方法有其无法克服的局限性。复杂的模仿电路设计，难以扩大的电容测量范围，都邑给开辟带来异常大年夜的阻力。尽管存在一些所谓的简单易用的电容数字转换器单芯片筹划，但无论大年夜价格，机能，和Ｒ单程度上，照样会有诸多限制。
德国acam公司专利的PICOCAP测量道理则给电容测量供给了概绫屈性的冲破。在2011年推出了最新的带有内部DSP单片机的单芯片电容测量筹划PCAP01, 这个芯片会使电容测量进步到一个前所未竽暌剐的程度。

2.概述

PCap01为带有单片机处理单位的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片筹划。这颗芯片测量范围覆盖了大年夜几fF到几百nF，并且可以异常简单的经由过程设备来知足各类不合应用的需求。PCap01既合适超低功耗最低至几个μA的测量，也合适高精度达到21位有效位的高机能测量，还可以进行最高达50万次每秒钟的快速测量。这颗芯片供给了对于高精度测量,低功耗测量以及快速测量应用的的完美结合。传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，然后经由过程SPI或者IIC数据串行接口进行传送。别的，芯片还可以经由过程IO口来发送PWM/PDM 输出电压旌旗灯号。其余的IO口可以作为中断管脚，程度报警旌旗灯号管脚或者通俗IO口来竽暌功用。

PCap01有异常小的QFN封装尺寸，仅须要极少数量的外部元器件 (至少须要2个外部双通电容) ，使全部体系的设计异常紧凑并且降低成本，合适很广泛的电容测量。
3. PICOCAP测量道理介绍

PICOCAP测量道理展示了对于电容测量的新的概绫屈性的方法。在这个道理中，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，构成了一个Low-pass低通滤波。

电容起首被充电到电源电压，然后经由过程电阻进行放电。而放电到一个可控制阚值电压的程度将会被鸢熏内部的异常高精度时光数字转换器TDC所记录下来。

这个测量过程将会在传感器和参考电容上反复交错进行，应用同样的电阻。计算的结不雅是测量的比值结不雅，是与电阻和比较器温度相干性有关。传感器和参考电容数值的选择应当为同一范围来降低增益偏移。实践角度讲，对于被测电容没有大年夜小的限制。传感器几乎可以大年夜0fF到几十nf。PICOCAP同时也支撑差动电容传感器的测量带有内部的线性补偿。

4. PCAP01芯片重要特点
Pcap01芯片为一颗单芯片电容测量筹划，如同下一些特点：


●一颗芯片可以合适多种应用，测量灵活性异常高:

a) 低测量功耗，在10Hz最低仅2 μA
b) 测量精度最高达22位有效位, 4 aF rms精度
温湿度传感器 压力传感器 液位传感器

●异常宽的电容测量范围, 大年夜几fF到上百nF
●超低增益和offset漂移
●18位高分辨率温度测量
●48-位DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM
●内部或者外部时钟振荡
●最多可以支撑6个IO口
●IIC, SPI, PWM, PDM 接口
●宽的电源电压范围大年夜2.1 V到3.6 V
c) 测量频率可以最高达500 kHz
●宽操作温度范围(-40 ℃到+125℃)
●QFN32或者QFN24封装

内部构造道理图：

Pcap01发挥了PICOCAP测量道理的高精度优势，使电容测量达到了一个前所未竽暌剐的程度。根据传感器和参考电容大年夜小不合，以及所选择的测量模式的不合，我们有如下测量数据。这个测量数据为典范测量噪声精度vs.数据输出频率, 我们的测试是应用Pcap01评估体系以及10pF参考电容和1pf的Span加载电容完成。芯片的电压为 V = 3.0 V：

膳绫擎表格中可以 看到，我们分别给出了floating漂移模式和Grounded接地模手站种情况。当应用漂移模式，完全补偿的情况下，在5Hz输出时测量的RMS噪声为6aF，测量有效位高达20.7位！在选择不合测量频率的不合设置情况下，精度和速度的相对关系袈溱表格中给出。 当然随基本电容大年夜小不合，测量的有效分辨率也会有所不合。



传感器连接的方法：

对于电容传感器的测量，芯片供给了异常灵活的连接方法，比较典范的连接方法如下所示：

在芯片顶用户可以本身选择是用内部集成的放电电阻进行电容的测量，照样外接放电电阻来进行测量，连接的方法如下图所示：

导线补偿：
当应用补偿模式进行高精度测量时，可以使测量有异常低的增益和零点漂移。电容可以连接为接地，漂移模式。而传感器和参考电容是经由过程内部集成的模仿开关选择到放电网路中。别的因为专利的电路鹤芄播算法，内部可以补偿寄生电容。补偿的结不雅可以达到在温度范围内仅0.5 ppm /K 增益偏移。这比绝大年夜多半传感器本身内部偏移要好得多。

在电容测量傍边，导线的寄生电容对于全部测量的影响是不克不及够忽视的。尤其当导线较长的情况下，导线寄生电容的影响将会对测量结不雅有致命的影响。在Pcap01傍边，可以对传感器的导线寄生电容进行有效补偿：

经由过程膳绫擎的传感器连接的方法，可以补偿连接传感器两端的导线寄生电容，清除导线对于测量结不雅的影响。那么如不雅想要进行导线补偿，3个在漂移模式的测量须要被进行如下：

如不雅对于高稳定性高精度的测量，我们推荐连接传感器为漂移模式，来进行完全补偿。当然如不雅导线异常短，并且对于测量机能温度机能请求并不苛刻的情况下，也可以仅应用内部补偿，在接地和漂移模式下均可以应用：

温度测量单位RDC：

Pcap01内部有一个异常强大年夜的温度测量单位，用户可以选择外接温度传感器测量，或者应用内部集成的铝电阻作为温度传感器电阻。内部铝电阻的温度系数为TK ≈ 2800 ppm/K，一般的温度测量完全可以知足。当然如不雅对于温度测量请求较高，则需外接高精度温度传感器（如PT1000）来进行测量。

48位功能强大年夜DSP处理单位：

芯片内部带有一个48位的旌旗灯号处理单位，这个处理单位将会处理CDC（电容测量）和RDC（电阻测量）的信息，获得测量数据将结不雅给到芯片输出端口。所获得的粗值数据将会存放在内部RAM傍边，而内部有OTP或者SRAM可以用于客户进行本身法度榜样英国沃森WSEN进口传感器的编写。芯片在测量完成后，必定会进入SRAM或者OTP履行内部法度榜样，最简单的就是将测量结不雅读出写入到芯片的。那么还可以在法度榜样傍边进行异常多的工作，通俗单片机的功能都可以在芯片内部的DSP处理单位中实现。acam公司为芯片供给不合版本的固件，合适不合种类的应用。例如供给了测量温湿度的固件，当您将芯片应用于温湿度测量的时刻，可以对于温度和湿度进行异常便利简单的校订鹤芄播，内部还有集成的计算软件，加倍便利客户的开辟。
压力固件是另一个针对压力传感器应用以及其他通俗应用的集成固件。它带有高阶的多项式切近亲近的数学算法线性补偿，还带有温度补偿算法，这些补偿算法除了在压力传感器的应用傍边，还可以在其他很多的传感器应用傍边进行调用，实现异常简单。
位移传感器 角度传感器 加快度传感器 称重衡器等……..

别的还有标准固件，进行通俗电容测量，给出结不雅，有多个通信接口有效等须要功能。对于DSP，以及内部法度榜样编写更具体的信息，请参考Pcap01的DSP技巧手册。您如不雅对于功能上有任何需求的话，请与acam公司大年夜中国区总代劳世强电讯的技巧支进出员接洽，将会向您供给比较完全的咨询，以及合适的内部固件法度榜样。

5．芯片硬件软件设计筹划

上图为一个典范的Pcap01硬件设计筹划，合适于通俗的电容式传感器（传感器未在图中标出）。输出的方法为SPI穿行通信方法。可选择带有外部温度传感器温度测量，当然也可应用内部集成温度测量电阻。整体电路设计异常简单，所需元器件数量异常少。大年夜大年夜降低了全部体系的开起事度。

6．应用范畴：

电容数字转换器有异常广泛的应用空间，重要应用范畴如下：




7.停止语

综上所述，Pcap01单芯片筹划将会使您的┞符体筹划设计加倍简单，电容测量机能更佳优胜和靠得住，改革的单芯片电路以及可以自由选择的带有不合补偿方法的固件如线性补偿以及温度线性补偿方法，不仅仅晋升了电路测量的程度，同时也进一步进步了传感器本身的测量机能。Pcap01芯片将会使电容测量加倍简单便利。