Преобразователи емкость-код с промежуточным времяимпульсным преобразованием

Расширение областей применения современных емкостных датчиков приводит к ужесточению требований к средствам преобразования емкость-код, как по разрешающей способности, так и по времени преобразования и помехозащищенности. При этом следует учитывать, что номинальные значения основных емкостных датчиков лежат в пределах от единиц пикофарад до сотен и выше нанофарад. Требования к частоте преобразования измеряемого параметра может изменяться от десятков минут (например, при измерении влажности зерна) до десятков килогерц (в том числе для датчиков ускорения, микрофонных датчиков или МЭМС-датчиков).

На сегодня наивысшую точность преобразования емкость-код обеспечивают преобразователи с SD-модуляцией. Так, микросхема AD7745/AD7746 24‑битного преобразователя CDC позволяет обеспечивать преобразование емкость-код с эффективной разрешающей способностью до 4 аФ, что соответствует 21‑разрядной эффективной разрешающей способности АЦП. Микросхема имеет встроенные средства калибровки смещения и коэффициента передачи преобразователя, а также встроенный термометр, позволяющий учесть температурные погрешности измерения [1]. К недостаткам устройства следует отнести ограниченный диапазон преобразуемых емкостей (до 17 пФ) и низкую частоту преобразования (от 10 до 90 Гц).

Хрестоматийным методом преобразования емкость-код является метод с промежуточным времяимпульсным преобразованием, основанным на измерении времени заряда (разряда) исследуемой емкости через эталонный резистор и последующим преобразованием время-код [2]. К недостаткам метода нужно отнести влияние на точность измерения отклонения от номинала эталонного резистора в зарядной цепи конденсатора и резисторов, формирующих фиксированный уровень разряда, а также напряжение смещения и входного сопротивления компаратора напряжения. Решение этих проблем обеспечивается при использовании разностного (subtraction algorithm) или относительного (ratiometric algorithm) алгоритма и применении современных информационных технологий.

В основе таких алгоритмов лежит метод последовательного кодоимпульсного преобразования эталонной емкости C_r и емкости датчика C_s с последующим вычитанием или делением полученных результатов.

Преобразование происходит в следующем порядке: эталонная емкость C_r ключом SW1 (рис. 1) подключается к цепи заряда/разряда и разряжается через ключ SW2 в течение некоторого времени t_d, затем размыканием ключа SW2 реализуется режим заряда емкости C_r от источника напряжения через резистор R до напряжения U_ref, фиксируемого компаратором напряжения через интервал времени t_r, фиксируемый преобразователем емкость-время-код. Переход в режим заряда емкости и одновременный запуск преобразователя емкость-время-код сигналом «старт» инициируется центральным процессором (ЦП). Останов преобразователя время-код осуществляется сигналом «стоп», формируемым компаратором напряжения через время t_r, и определяется выражением:

где τ_r = R×C_r — постоянная времени цепи заряда эталонной емкости.

Рис. 1. Структурная схема разностного и относительного алгоритма преобразователя емкость-время-код

Время t_r с помощью преобразователя время-код преобразуется в код. Затем ключ SW1 перебрасывается в состояние «б», и в той же последовательности с использованием того же резистора и компаратора напряжения осуществляется преобразование емкости датчика SW1 во временной интервал t_s:

Совместное решение уравнений (1) и (2) дает следующие соотношения:

t_s/t_r = C_s/C_r                                   (3)

или

Δt = ±ΔC×R,                          (4)

где Δt = t_s–t_r, ΔC = C_s–C_r.

Выражение (3) реализуется ЦП при использовании относительного алгоритма преобразования. Как следует из (3), результат преобразования не зависит от нестабильности напряжения источника заряда U и источника опорного напряжения U_ref, а также от нестабильности величины сопротивления цепи заряда R и порога срабатывания компаратора напряжения, но зависит от времени его срабатывания (рис. 2). Последний фактор может оказать существенное влияние при использовании универсальных микроконтроллеров.

Рис. 2. Временные диаграммы заряда/разряда эталонной и контролируемой емкости

Выражение (4) реализуется с помощью разностного алгоритма преобразования. Как следует из выражения, в этом случае сохраняется независимость результатов преобразования от нестабильности источников напряжения, порога срабатывания компаратора и времени его задержки, но сохраняются жесткие требования к точности сопротивления цепи заряда R.

Результаты преобразования t_s и t_r в код можно представить как:

N_s = t_s×f_tdc,

N_r = t_r×f_tdc,

где f_tdc — частота квантования преобразователя время-код. Выбор значения f_tdc определяется совокупностью требований, прежде всего обеспечением требуемой разрешающей способности. Наиболее наглядно этот выбор можно проиллюстрировать на примере реализации разностного алгоритма, описываемого выражением (4).

В этом случае результат времяимпульсного преобразования можно представить как:

ΔN = f_tdc×ΔC×R.                 (5)

Отсюда требования к частоте квантования определятся как:

f_tdc ≥ 1/ΔC_max×R×δC,             (6)

δC = ΔΔC/ΔC_max = 1/ΔN_max,       (7)

где δC — относительная погрешность квантования преобразуемого разностного значения емкости ΔC_max; ΔΔC — абсолютное значение квантованной величины емкости; ΔN_max = 1/δC — цифровой эквивалент величины ΔC_max.

Величина сопротивления R ограничивается требованиями к времени преобразования, влиянием входного сопротивления компаратора напряжения и собственными шумами резистора. Обычно величину этого сопротивления ограничивают значением 1 МОм. Нетрудно показать, что в соответствии с выражением (6) для измерения значения приращения емкости в нанофарадном диапазоне с погрешностью в десяте доли процента вполне можно ограничиться частотами до 100 МГц, что легко реализуется в современных универсальных микроконтроллерах.

Требования к полной разрядности преобразователя время-код N_max определяются условием:

N_max ≥ (C_r/ΔC_max+1)ΔN_max.         (8)

Величину опорной емкости C_r, как правило, выбирают примерно равной среднему значению величины измеряемой емкости, нетрудно показать, что для обеспечения погрешности измерения приращения емкости с погрешностью квантования 0,1% в диапазоне 5% отклонения измеряемой величины от эталона достаточно использование 16‑разрядного таймера, что поддерживается большинством 8‑разрядных микроконтроллеров.

Применение микроконтроллеров семейства Cortex M3 с тактовой частотой свыше 100 МГц и 32‑разрядными таймерами, очевидно, позволяет на порядок расширить возможности преобразований время-код. Время преобразования (без учета времени обработки информации) можно оценить из условия:

t_{п max} ≥ 2N_max/f_tdc.                 (9)

В соответствии с условием (9) время преобразования (t_{ov max}) для рассмотренного выше примера при f_tdc = 100 МГц не превысит 2,4 мс, что соответствует более 440 преобразований в секунду.

Нетрудно показать, что все приведенные соображения действительны и при использовании относительного алгоритма.

Проблема реализации высокоскоростного и высокоточного преобразования в пикофарадном диапазоне на базе таймеров универсальных микроконтроллеров вызывает определенные трудности, поскольку необходимо перейти в гигагерцовый диапазон частот квантования.

Требуемую разрешающую способность в этом диапазоне можно реализовать при помощи преобразователя емкость-время-код фирмы Acam с разрешением в пикосекундном диапазоне [3, 4].

В основе преобразования лежит нониусный метод, при котором используется две временные шкалы:

• с разрешением в наносекундном диапазоне;
• точного отсчета с разрешением в пикосекундном диапазоне (рис. 3).

Рис. 3. Временные диаграммы двухступенчатого (нониусного) преобразования время-код

Шкала грубого отсчета осуществляется грубым счетчиком путем подсчета импульсов опорной частоты наносекундного диапазона с периодом T_c в интервале между сигналом запуска «старт» и останова «стоп».

В основе принципа формирования шкалы точного отсчета, реализуемого счетчиком, лежит подсчет абсолютного числа прохождений фронтов измеряемого сигнала через линии задержки с временем задержки T_f, выполненные на базе простых логических элементов [3, 4] (рис. 4). Шкала точного отсчета формируется высокоскоростным счетчиком, подсчитывающим задержку n_f1 между фронтом импульса «старт» и фронтом первого счетного импульса опорной частоты, а также задержку n_f2 между фронтом импульса «стоп» и фронтом последнего счетного импульса. Результат высокоскоростного счета фиксируется в динамической памяти. Далее результат с обоих счетчиков заносится в процессор последующей обработки данных, где измеряемый временной отрезок T_x подсчитывается по формуле:

T_x = n_c×T_c+(n_f1–n_f2)T_f.           (10)

Рис. 4. Упрощенная функциональная схема преобразования время-код конвертера с двухступенчатым (нониусным) методом преобразования

Уникальный метод преобразования емкость-время-код фирмы Acam со встроенными преобразователями время-код с пикосекундным разрешением позволил создать целое семейство PICOCAP-устройств, отличающихся широким диапазоном измеряемых емкостей (от долей пикофарад до сотен нанофарад), высокой разрешающей способностью (до десятка аттофарад), высоким быстродействием, малой потребляемой мощностью [5, 6]. Использованные в устройствах методы компенсации основных источников погрешностей измерения обеспечивают высокую точность и стабильность результатов преобразования. Всю необходимую обработку полученной информации поддерживает интегрированный на кристалле 48‑разрядный DSP-процессор.

В основе преобразования емкость-время лежит рассмотренный выше относительный алгоритм. Непринципиальным отличием является то, что необходимую информацию об измеряемой емкости получают не на стадии заряда емкости, а на стадии ее разряда (рис. 5), при этом соотношение (3) остается неизменным.

Рис. 5. Временная диаграмма преобразования емкость-время при измерении времени разряда

Повышение помехозащищенности и точности измерения достигается в том числе размещением на кристалле всех элементов измерительной цепи, в частности набора опорных емкостей C_r/int и резисторов разряда R_discharg/int. (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема преобразования емкость-время с интегрированными на кристалле резисторами разряда и опорными емкостями

Пользователю предоставляется также возможность расширения диапазона преобразования за счет применения внешней опорной емкости C_Aux/ext и/или разрядного сопротивления R_discharg/ext.

Как известно, для снижения влияния внешних помех используют симметричное (плавающее) подключение емкостных датчиков через экранированные линии подключения (рис. 7).

Рис. 7. Симметричное подключение емкостного датчика

Влияние паразитных емкостей линий подключения датчика C_pex0, C_pex1 и собственные паразитные емкости измерителя C_pint могут быть скомпенсированы встроенными аппаратно-программными средствами PICOCAP-преобразователя (рис. 8).

Рис. 8. Измерение паразитных емкостей:
а) Cpint+Cpex0;
б) Cpint+Cpex1;
в) Cpint+Cpex0+Cpex1

Результаты измерения паразитных емкостей запоминаются и используются при обработке результатов измерения встроенным DSP-процессором. Предлагаются также фирменные методы компенсации влияния сопротивления утечки, вносимые цепями подключения датчиков.

Значительную помощь при разработке измерительных приборов, основанных на методе преобразования электрической емкости в цифровой код, оказывают комплекты разработчика: PCap01‑EVA-KIT — универсальный набор с возможностью подключения различных измерительных датчиков, и PCap01‑HUM-EVA — набор для разработки измерителей влажности по методу преобразования электрической емкости.

В состав наборов входят: электронные платы с портами и коннекторами для подключения к емкостным датчикам и программатор PICOPROG 2.0 c USB, являющийся одновременно и интерфейсом всей системы с компьютером IBM PC.

Базовый элемент набора PCap01‑EVA-KIT — материнская плата с установленным на ней измерительным модулем. Набор производит измерения емкости и температуры, кроме цифрового интерфейсного выхода имеются импульсные выходы, выдающие результаты измерений в виде ШИМ- или ПДМ- (плотностно-импульсно-модулированного) сигнала. Коммуникации с USB-портом компьютера происходят через модуль программатора PICOPROG V2.0. Прилагаемое программное обеспечение имеет дружественную оболочку под Windows, позволяет как получать цифровые результаты измерений, так и строить графики, а кроме того, данные могут быть экспортированы в текстовые файлы.

Проведенный обзор показал, что использование относительного и разностного метода преобразования емкость-время-код значительно повышает точность измерения емкости по сравнению с традиционными методами времяимпульсного преобразования. Повышение тактовой частоты и увеличение разрядности встроенных таймеров/счетчиков современных универсальных микроконтроллеров, таких как микроконтроллеры семейства Cortex-M3, Cortex-M4, позволяют организовывать многоканальную систему мониторинга параметров состояния технологических, медицинских объектов, параметров системы «умный дом» и других систем с использованием емкостных датчиков различного назначения.

Особого внимания заслуживают устройства семейства PICOCAP (таблица, рис. 9), обеспечивающие уникальные возможности по точности, быстродействию и диапазону преобразования параметров емкостных датчиков различного назначения. Запатентованный алгоритм обеспечивает хорошую защиту от паразитных емкостей и хорошую температурную стабильность. Прецизионность, достигаемая методом PICOCAP, соответствует возможностям 24‑разрядного АЦП высокого класса и обладает широким диапазоном измерения.

Рис. 9. Основные способы подключения емкостных датчиков к выводам преобразователя PCap02:
а) восемь датчиков с заземленной обкладкой;
б) четыре датчика с плавающими обкладками;
в) три дифференциальных датчика с заземленной средней точкой;
г) два дифференциальных датчика с плавающей средней точкой

В комбинации с очень низким потреблением мощности PICOCAP прекрасно соответствует требованиям приложений, где необходимо портативное исполнение с минимальным питанием от батареек при широком диапазоне измерений с высокой разрешающей способностью и высокой точностью.