摘 要：AD774是AD公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器支持單端電容輸入和差分式電容輸入，同時在片內(nèi)集成了溫度傳感器，可以用于代替系統(tǒng)中的溫度傳感器。該芯片廣泛的應(yīng)用于生化探測、壓力探測、電壓探測、雜質(zhì)探測等領(lǐng)域。介紹AD774的功能原理和工作模式，同時給出一種使用該芯片的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Σ-Δ調(diào)制器；差分式電容輸入；單端電容輸入；I2C總線

Principle and Application of Capacitance to Digital Converter AD774

GUO Qiang，XIE Kang，JIANG aiming，WANG ao

(chool of Optoelectronic Information，University of Electronic cience and echnology of China，Chengdu，61004，China)

Abstract：he AD774 is a capacitance to digital converter with I2C bus produced by AD Companyhis converter supports single-ended capacitive input and differential capacitive input，and integrates a temperature sensor which can instead of temperature sensor in systemhis chip is used in biochemistry detection，pressure detection，voltage detection and impurity detectionhe principle and working mode are produced in the paper and an application with this chip is given

Keywords：Σ-Δ modulator;differential capacitive input;single-ended capacitive input;I2C bus

1 引 言

AD774是AD公司生產(chǎn)的具有高的分辨率、低功耗的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該芯片性能穩(wěn)定，操作方便，可以和多種電容傳感器一起開發(fā)各種實際產(chǎn)品。AD774的主要特點如下：

(1) 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

具有單端電容探測器或者差分式電容探測器接口；

分辨率：4 aF；精確度：4 fF；線性度：001%；

在普通模式下，電容高達(dá)17 pF；

可測量電容范圍：-4~4 pF;

可容忍高達(dá)60 pF的寄生電容；

更新頻率：10~60 z。

(2) 片上溫度傳感器

分辨率：01 ℃；精確度：±2 ℃；

電壓輸入通道；

內(nèi)部時鐘振蕩器；

兩線串行接口(I2C兼容)。

(3) 電源

27~2 V單電源供電。

2 工作原理及引腳功能

21 工作原理

AD774的核心是一個高精度的轉(zhuǎn)換器，由1個二階調(diào)制器和1個三階數(shù)字濾波器構(gòu)成。AD774可以配置成一個電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，也可以配置成一個經(jīng)典的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。除了轉(zhuǎn)換器外，AD774集成了一個多路復(fù)用器、一個激勵源和電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)作為電容的輸入、一個溫度傳感器、一個時鐘發(fā)生器、一個控制校正邏輯、I2C接口。AD774的功能框圖如圖1所示。下面對圖中的主要部分進行功能說明。

(1) Σ-Δ調(diào)制器

Σ-Δ調(diào)制器是AD774的核心，它是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，其工作原理是：被測的電容CX被連接在CDC激勵輸出(EXCA或者EXCB)與Σ-Δ調(diào)制器輸入(VIN(+))之間，在1個轉(zhuǎn)換周期，一個方波激勵信號(從EXCA或者EXCB輸出)被加到CX，Σ-Δ調(diào)制器連續(xù)采樣經(jīng)過CX的電荷。數(shù)字濾波器處理Σ-Δ調(diào)制器的輸出，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波器輸出，經(jīng)過校正，由I2C串行接口將數(shù)據(jù)讀出。

(2) 電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)

電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)可以被理解成一個負(fù)電容直接內(nèi)部連接到CIN引腳。在AD774中有2個CAPDAC，一個連接到CIN1(+) ，另一個連接到CIN1(-)，如圖2所示。輸入電容CX，CY(差分模式下)與輸出數(shù)據(jù)(DAA)之間的關(guān)系如下：

電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以用來編程被測電容的輸入范圍，通過設(shè)置CAPDAC(＋)和CAPDAC(-)的值，可以改變被測電容的范圍，比如在單端模式下，將CAPDAC設(shè)置成溫度傳感器±4 pF，被測電容的變化范圍成了0~8 pF。

(3) 溫度傳感器

AD774使用1個片上晶體管測量芯片內(nèi)部的溫度，芯片的溫度變換將影響到晶體管的電壓ΔVBE ，Σ-Δ調(diào)制器將ΔVBE轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，最終的輸出線性于溫度的變化。由于AD774的功耗很低，因此它自身產(chǎn)生的熱量很少(在VDD= V時，小于0 ℃)，被測電容探測器的溫度可以認(rèn)為和AD774的溫度相同，因此AD774內(nèi)部的溫度傳感器可以用做系統(tǒng)的傳感器。也就是說，整個系統(tǒng)的溫漂補償可以基于片內(nèi)的溫度傳感器，而不需要片外器件。

(4) I2C串行接口

AC774支持I2C兼容2線串行接口，I2C總線上的2根線是CL(時鐘)和DA(數(shù)據(jù))，所有的地址、控制和數(shù)據(jù)信息都通過這2根線進行傳輸。

22 引腳功能

AD774的引腳分布如圖3所示可知。各引腳功能描述如下：

CL：I2C串行時鐘輸入；

RDY：邏輯輸出。當(dāng)該引腳信號的下降沿到來時，表示在已經(jīng)使能的通道轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，同時新的數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)該通道；

EXCA，EXCB：CDC激勵輸出。被測電容接在EXC引腳和CIN引腳之間；

REFIN(＋)，REFIN(-)：差分參考電壓輸入；

CIN1(-)：在差分模式下，CDC的負(fù)電容輸入；在單端模式下，該引腳內(nèi)部斷開；

CIN1(＋)：在差分模式下，CDC的正電容輸入；在單端模式下，CDC的電容輸入；

NC：空管腳；

VIN(＋)，VIN(-)：ADC的差分電壓輸入。此引腳同時連接外部溫度探測二極管；

GND：接地端；

VDD：電源端；27~2 V單電源供電；

DA：雙向I2C串行數(shù)據(jù)線。

3 AD774的工作模式

31 差分模式

當(dāng)被測電容傳感器是差分式電容傳感器，其連接方法如圖2所示，差分電容探測器的正電容輸入連接到CIN1(+) ，負(fù)電容輸入連接到CIN1(-)。通過I2C接口將AD774中的電容設(shè)置寄存器(Cap etup register)中的CAPDIF位設(shè)置成1。

32 單端模式

當(dāng)被測電容傳感器是是單端電容傳感器，其連接方法如圖4所示。可以通過設(shè)定CAPDAC(＋)的值調(diào)整被測的電容傳感器的輸出范圍。

4 具體應(yīng)用

電容傳感器的種類很多，總體可以分為改變極板之距離的極距型傳感器；改變極板遮蓋面積的面積型傳感器；改變電介質(zhì)之介電常數(shù)的介質(zhì)型傳感器。

本應(yīng)用使用根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨濕度而改變的差分式電容傳感器，將差分式電容傳感器的正負(fù)電容輸出分別接到AD774的CIN1(+)和CIN1(-)引腳。然后將AD774接到3 V/ V電壓上，將AD774的輸出通過I2C總線接到主機控制器， CL和DA要接10 kΩ的上拉電阻。主機控制器選擇P89C668，因為該MCU具有I2C接口和UAR串口(見圖)。

本系統(tǒng)將電容傳感器放置在需要探測的環(huán)境中，在PC即顯示該環(huán)境的濕度，軟件流程圖如圖6所示。

結(jié) 語

由于AD774功能穩(wěn)定，操作簡單，可以于多種電容傳感器使用，可以用于壓力探測，電壓探測、雜質(zhì)探測等方面的應(yīng)用和開發(fā)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］AD公司24 B Capacitance to Digital Converter with emperature ensor[Z]200

［2］Philips半導(dǎo)體公司P89C660/P89C662/P89C664/P89C668[Z]2002

［3］吳玉寶A/D轉(zhuǎn)換器MAX1270與1單片機的接口設(shè)計[J]電子制作，2007(6):49-0

［4］項四平單片機與串行A/D轉(zhuǎn)換器LC0834的接口設(shè)計[J]國外電子元器件，2003(7):10-12

馬長芳傳感器與傳感器技術(shù)[M]北京:科學(xué)出版社，2004

［6］譚浩強C程序設(shè)計[M]2版北京:清華大學(xué)出版社，2001

［7］楊恢先單片機原理及應(yīng)用[M]北京:人民郵電出版社，2006

［8］孫鑫VC++深入詳解[M]北京:電子工業(yè)出版社，2006