Аналого-цифровые преобразователи "емкость-время-код" и "емкость-напряжение-код"Широкое распространение емкостных датчиков как в технологических, так и в бытовых приложениях вызвало разработку новых методов и средств преобразования „емкость — цифровой код». Наилучшими показателями по точности и разрешающей способности обладают аналого-цифровые преобразователи (АЦП) емкости с сигма-дельта модуляцией (SDC) [1]. Для измерения отклонения величины измеряемой емкости от номинального значения выпускаются SDC AD7745_7746 в однокристальном исполнении, которые обеспечивают разрешение 4 fF [2]. Применение их для большинства технологических приложений ограничивается малым диапазоном как номинальных значений емкости (до 17 пФ), так и величины максимального отклонения (4 пФ). Лучшие возможности по этим показателям обеспечивают однокристальные преобразователи „емкость-напряжение» CAV414_424 с диапазоном номинальных значений емкости от 10 пФ до 1 нФ и отклонением от 5% до 100% [3].
Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерного преобразователя „емкость-время-код»
Для простых прикладных решений удобно преобразование „емкость-код» с промежуточным времяимпульсным преобразованием на базе микроконтроллеров (МК) со встроенным аналоговым компаратором (рис. 1) [3].
Опорное напряжение UОП, подается с резистивного делителя на инвертирующий вход А– встроенного аналогового компаратора, неинвертирующий вход которого А+ подключен к точке соединения емкостного датчика СХ и эталонного резистора RЭ. Значение UОП обычно задают равным 0,63•U1 (U1 — уровень логической единицы сигнала, снимаемого с выхода порта Pi).
Перед измерением емкости СХ датчика на выводе порта МК Pi устанавливается напряжение низкого уровня. Емкостный датчик СХ начинает разряжаться через образцовый резистор RЭ. Через некоторое время, в течение которого емкостной датчик СХ полностью разрядится, МК выводит высокий уровень напряжения в линию Pi и запускает от генератора тактовых импульсов внутренний, заранее обнуленный счетчик таймера (ТС). Когда напряжение на емкостном датчике достигнет уровня UОП, на выходе аналогового компаратора будет сформирована лог. „1».
При равенстве UОП=0,63•U1 следует:
t1 = t*ln3, (2)
где t = RЭ•СХ.
По сигналу компаратора МК считывает содержимое таймера-счетчика ТС, двоичный код которого NT пропорционален времени t1 и, соответственно, СХ:
NT=t1/fТ=RЭСХln3*fТ, (3)
где fТ — частота генератора тактовых импульсов ТС.
Рассмотренная схема обладает очевидной простотой. Недостатком представленной схемы является неполный разряд измеряемого конденсатора перед очередным измерением, осуществляемый подачей лог. „0» на вывод Pi. Этот недостаток легко устраняется за счет дополнительного внешнего ключа SW, управляемого с выхода порта Pi.
При малых значениях измеряемых емкостей применение схемы ограничивается влиянием входных токов и входного сопротивления аналоговых компараторов, которые обычно не нормируются техническими условиями на микроконтроллер. Другим ограничением может послужить относительно низкое значение тактовой частоты fТ, которое для 8-разрядных контроллеров обычно лежит в пределах 8…16 МГц.
Рис. 2. Структурная схема микроконтроллерного преобразователя емкость-напряжение-код (а), временные диаграммы заряда-разряда емкости (б)
Современная элементная база, в частности АЦП со встроенными источниками тока [5, 6], позволяет по-новому взглянуть на известные методы и средства измерения, не нашедшие широкого распространения на практике. К таким методам, в частности, относится преобразование емкости в напряжение зарядом конденсатора от источника тока в течение определенного времени tз и затем — преобразования полученного напряжения в код с помощью АЦП (рис. 2).
При замкнутом ключе SW1 в течение времени tз происходит заряд контролируемой емкости до величины Uin (tз), затем на время tизм ключ SW1 размыкается и происходит аналого-цифровое преобразование полученного напряжения.
Uin(tз)=I*tз/Cx (4)
Перед следующим измерением происходит разряд емкости Cx путем включения на время tр ключа SW2.
Этот метод требует наличия прецизионного источника тока и входа с высоким импедансом для измерения напряжения.
Снизить влияние нестабильности тока возбуждения можно при применении метода логометрического (ratiometric) преобразования [6, 7]. При этом методе результат аналого-цифрового преобразования пропорционален частному от деления входного напряжения АЦП (Uin) и его опорного напряжения (Uref).
N=k Uin/Uref (5)
Использование в качестве опорного напряжения Uref падения напряжения на резисторе Rref, включенном в токовую цепь последовательно с измеряемой емкостью Cx (рис.3) обеспечивает зависимость
N=tзNmax/CxRref
Упрощение схемы обеспечивается при использовании так называемых аналоговых микроконтроллеров или микроконверторов семейства ADuCxxx фирмы Analog Device или LMP90ххх фирмы Texas Instrument . Эти схемы, помимо 24-разрядного АЦП с сигма-дельта-модуляцией, содержат современное микропроцессорное ядро, встроенную мощную периферию и таймеры/счетчики.
Программно перестраиваемые высокоточные источники тока этих микросхем позволяют устанавливать уровни тока возбуждения от 10 мкА до 2 мА.
Диапазон преобразования измеряемой емкости помимо установки значения тока заряда можно изменять программной установкой коэффициента усиления kу встроенного усилителя PGA и временем заряда tз.
Необходимость использования переключающего ключа SW2 обусловлена необходимостью во время измерения tизм подавать опорное напряжение на вход Uref АЦП, для чего в это время требуется обеспечить прохождение тока I через резистор Rref.
Величина тока заряда I явно не входит в зависимость N=F(Cx). Однако надо помнить, что Rref=Uref/I, а номинальное напряжение Uref задается техническими условиями на микросхему, (обычно Uref=1,2 В) и, следовательно, значение Rref однозначно зависит от выбранного значения тока заряда.
Статья доступна только в печатном варианте. Вы можете приобрести свежие номера Р&С или оформить подписку в редакции. | 
