Измерение отклонения электрической емкости датчика от номинального значения

PDF версия
Проведен сравнительный анализ существующих методов и схем измерения отклонения электрической емкости датчика от номинального значения, обеспечивающих эффективное использование диапазона преобразования измерительных устройств. Рассмотрен способ расширения диапазона преобразования номинальных значений измеряемых емкостей и их приращений. Показано, что принципы, заложенные в некоторых рассматриваемых серийных микросхемах, могут быть успешно реализованы на базе широко распространенных аналоговых микроконтроллеров, что значительно расширяет их область применения.

В абсолютном большинстве задач контроля и управления технологическими объектами с использованием емкостных датчиков различного назначения информацию несет не абсолютное значение их электрической емкости, а его отклонение от некоторого номинального значения. В то же время широко используемые измерительные преобразователи основаны на измерении полного значения емкости датчиков, что не позволяет эффективно использовать диапазон преобразования измерительных устройств. В последнее время ряд фирм и отдельные разработчики предлагают оригинальные решения построения измерителей отклонения электрической емкости датчиков относительно некоторого эталонного значения. Прежде всего, следует выделить аналого-цифровые преобразователи приращения емкости с использованием сигма-дельта модуляции [1], которые реализованы в виде законченных интегральных микросхем, среди которых наибольшее распространение нашли AD7745/AD7746 [2] и AD7747 [3].

Эти микросхемы позволяют с высоким разрешением (эффективная разрешающая способность до 21 разряда) с точностью до ±4 фФ измерять приращение до ±4 пФ относительно эталонного значения емкости от 0 до 17 пФ.

Схема включения двух емкостных датчиков CR и CM (рис. 1) обеспечивает преобразование данных: ΔС = CRCM. Один из них может быть эталонным с номиналом от 0 до 17 пФ, относительно которого измеряемое приращение |ΔС| 4 пФ. Емкости подключаются между соответствующими входами Cin(+), Cin(–) и выходом EXC источника возбуждения, формирующего прямоугольные импульсы, управляющие цепями перезаряда ΣΔ-модулятора.

Схема включения двух емкостных датчиков в измерительных устройствах на базе микросхем AD7745

Рис. 1. Схема включения двух емкостных датчиков в измерительных устройствах на базе микросхем AD7745

Наличие в микросхемах программно перестраиваемых преобразователей емкость — код позволяет программно смещать уровни емкостей CR и (или) CM на величину до 17 нФ (рис. 2). Так, при одиночном включении емкости CR (емкости CM задается нулевое значение управляющим битом CAPDIFF) и значении преобразователя емкость — код (+), равном 17 пФ, будет фиксироваться изменение CR от 13 до 21 пФ.

Схема включения двух емкостных датчиков с использованием встроенных программируемых преобразователей емкость — код

Рис. 2. Схема включения двух емкостных датчиков
с использованием встроенных программируемых преобразователей емкость — код

Преобразователи емкость — код имеют 7‑битное разрешение, что при диапазоне 21 пФ соответствует разрешению 164 фФ. Эту погрешность с помощью 16‑разрядного компенсирующего регистра можно уменьшить при калибровке с разрешением 31 аФ.

Существенным ограничением широкого использования рассмотренных микросхем является ограниченный диапазон номинальных значений емкости (0–20 нФ), относительно которого производится измерение приращений (до ±8 нФ). Расширение указанного диапазона можно осуществить изменением величины заряда емкости датчика импульсами источника опорного напряжения [4]. Этот метод основан на том, что заряд емкости определяется произведением:

Q = CV.

При одиночном включении емкости датчика он заряжается импульсами источника возбуждения VEXC, в то время как внутренняя эталонная емкость заряжается от внутреннего опорного напряжения Uref. Если уменьшить величину VEXC в α раз, то коэффициент преобразования емкости α будет показывать, во сколько раз может быть увеличена емкость датчика CRном.

Микросхемы имеют по два источника напряжения возбуждения — VEXCA и VEXCB, величину которых можно задавать программно до уровня VDD/2. Кроме того, можно запрограммировать для каждого вывода прямое или инверсное значение выходного сигнала, то есть можно получить VEXCpeak-to-peak = VDD.

Схема расширения диапазона номинальных значений измеряемой емкости и ее отклонения от номинала

Рис. 3. Схема расширения диапазона номинальных значений измеряемой емкости и ее отклонения от номинала

При использовании источников VEXCA и VEXCB можно уменьшить амплитуду сигнала возбуждения с помощью дополнительной внешней схемы на базе суммирующего усилителя с единичным коэффициентом передачи (рис. 3). При равенстве амплитуд VEXCA и VEXCB и их противофазном режиме работы получим:

VEXC(A-B) = VEXC(R1+R2)/(R1–R2) =  VEXC/α,

отсюда

α = VEXC(A‑B)/VEXC = (R1+R2)/(R1–R2).

Выбором резисторов R1 и R2 обеспечивается значение коэффициента α из условия требуемой величины номинального значения контролируемой емкости и, соответственно, диапазона преобразования:

α = CRном/CRref.

Так, при использовании микросхемы AD7745 для увеличения номинального значения емкости датчика от CRref = 17 пФ до CRном = 150 пФ требуемый коэффициент расширения определится как α = 8,82. С таким же коэффициентом расширяется и диапазон преобразования приращения измеряемой емкости. Подобрав в соответствии с вышеприведенными выражениями соотношение резисторов R1 и R2 при заданном для AD7745 значении ΔС, равном ±4 пФ, получим возможность измерять приращение ΔС = ±35,28 пФ.

В отличие от микросхем AD7745/7746, в которых обкладки исследуемых конденсаторов не имеют связи с сигнальной «землей» Gnd, в микросхемах AD7747 предусмотрено подключение одного из выводов конденсатора непосредственно к «земле». При этом обостряется проблема влияния паразитных емкостей, шунтирующих исследуемую емкость. Для уменьшения этого эффекта предусмотрена возможность выравнивания потенциалов входа Cin и экранирующей оплетки входной цепи за счет подключения ее к выводу SHLD, с которого снимается напряжение, повторяющее форму сигнала возбуждения (рис. 4).

Схема включения исследуемой емкости с подключением непосредственно к сигнальной «земле»

Рис. 4. Схема включения исследуемой емкости с подключением непосредственно к сигнальной «земле»

Более широкий диапазон преобразования относительного изменения емкости обеспечивают преобразователи приращения емкости в напряжение на базе двух интеграторов (рис. 5).

Принцип преобразования относительного приращения емкости от номинала на базе двух интеграторов

Рис. 5. Принцип преобразования относительного приращения емкости от номинала на базе двух интеграторов

Заряд измеряемой и эталонной емкости от двух источников тока I1 и I2 с синхронным изменением направления тока заряда приводит к формированию двух пилообразных напряжений, снимаемых с конденсаторов CR и CM, с амплитудой:

 где T — период пилообразного напряжения.

Изменение направления токов заряда осуществляется коммутацией токовых цепей ключами S1–S4, которыми управляет тактовый генератор прямоугольных импульсов.

При обеспечении равенства токов I1 = I2 = I амплитуду разностного сигнала, выделяемого вычитающим дифференциальным усилителем с коэффициентом усиления k, можно определить по формуле:

ΔUm = kIT/2(1/CR–1/CM).

С учетом равенства CRном = CR постоянную составляющую сигнала ΔU(t) на выходе усилителя можно представить в виде:

Выделенная с помощью фильтра низких частот (ФНЧ) постоянная составляющая сигнала ΔU(t) является выходным сигналом преобразователя UC. Этот сигнал может далее поступать на вход аналого-цифрового преобразователя:

Относительное отклонение измеряемой емкости от номинального значения Cyном в соответствии с полученным выражением определится как:

где β = 4CR/kIT.

Полученные выражения позволяют при заданном номинальном значении измеряемой емкости выбрать требуемый ток и период следования импульсов синхронизирующего генератора или при известных предельных значениях периода T и тока I определить минимальное номинальное значение измеряемой емкости.

Преобразователь относительного изменения величины измеряемой емкости в напряжение на базе двух интеграторов реализован в серийно выпускаемых микросхемах CAV414/424 компании Analog Microelectronics [6, 7] (рис. 6).

Структурная схема преобразователя емкость — напряжение; б) схема подключения внешних элементов

Рис. 6. а) Структурная схема преобразователя емкость — напряжение; б) схема подключения внешних элементов

Токи интеграторов ICM и ICR задаются внешними резисторами RCM, RCR и внешним напряжением VM:

ICM = VM/RCM;

ICR = VM/RCR.

Частота тактового генератора задается внешними элементами COSC и ROSC и внутренним напряжением ΔUOSC:

где ток IOSC = VM/ROSC, а ΔUOSC задается внутренними источниками.

Дальнейшее преобразование разности напряжения заряда емкостей CM и CR в дифференциальное напряжение происходит так же, как и в схеме на рис. 5.

Несколько иной принцип преобразования отклонения электрической емкости от номинального значения используется в микросхеме CAV444 [8]. В ней сначала осуществляется частотно-импульсное преобразование контролируемой емкости. Полученный тактовый сигнал используется далее в преобразователе частота — напряжение, на выходе которого формируется напряжение Uout = kδCM.

Как следует из описания, существенным недостатком микросхем является необходимость подключения большого количества внешних прецизионных элементов.

Более эффективное решение преобразователя на базе двух интеграторов можно получить, используя прецизионный аналоговый микроконтроллер, например ADuCM360/ADuCM361 [5] (рис. 7).

Структурная схема преобразователя относительного отклонения величины емкости от номинала на базе аналогового микроконтроллера

Рис. 7. Структурная схема преобразователя относительного отклонения величины емкости от номинала на базе аналогового микроконтроллера

Два встроенных прецизионных программируемых источника тока легко решают проблему реализации интеграторов. Так же просто можно реализовать вычитающий усилитель на базе встроенного усилителя с программируемым коэффициентом усиления PGA и осциллятора на базе 32‑разрядного таймера, сигнал S с выхода которого используется для управления внешними ключами. Два 24‑разрядных аналого-цифровых преобразователя с сигма-дельта модуляцией обеспечивают высокую разрешающую способность измерения напряжения, снимаемого с выхода фильтра низких частот. Этот фильтр можно исключить, если использовать быстродействующий АЦП, который позволяет осуществить программную реализацию фильтра.

Для использования полного диапазона преобразования необходимо обеспечить условие:

kUсmax = Uref,

где Uref = 1,2 В — внутреннее опорное напряжение АЦП; max — напряжение на входе АЦП.

При максимальном значении отклонения δCymax = 1 в соответствии с выражением (2) получим необходимое значение β, равное 0,205. При известном значении β для минимального значения тока возбуждения I, которое составляет 10 мкА, и периода пилообразного напряжения T, равного 1/16 мкс при k = 1, в соответствии с (1) определим минимальное номинальное значение измеряемой емкости. Теоретически эта схема может обеспечить минимальное номинальное значение Cxmin = 32 нФ с разрешением 1 фФ (при эффективной разрешающей способности АЦП 15 разрядов при частоте опроса 8 кГц).

Естественно, необходимо также учитывать влияние различных паразитных параметров, таких как входное сопротивление PGA, сопротивление утечки коммутирующих ключей и т. д.

Таким образом, представляемые на рынке микросхемы позволяют решить большинство технических задач, связанных с контролем приращений электрической емкости емкостных датчиков. Для прецизионных систем контроля, использующих емкостные датчики с малыми (единицы пикофарад) значениями номинальных значений и измеряемых приращений, безусловный приоритет имеют преобразователи емкость-код на базе сигма-дельта модуляторов. Как было показано, некоторое расширение диапазона измерения параметров емкостных датчиков могут обеспечить стандартные микросхемы преобразователей емкость — напряжение. Требуемое большое количество внешних элементов измерительных цепей, с одной стороны, расширяет возможности пользователя для выбора режима, наиболее соответствующего конкретным условиям работы, а с другой — это снижает точность преобразования и надежность работы.

Возможность совмещения функции аналого-цифрового преобразования параметров емкостных датчиков с первичной програм-мной обработкой результатов имеют схемы с использованием двух интеграторов на базе источников тока. Аналоговые микроконтроллеры (микроконвертеры) фирм Analog Devices и Texas Instruments с прецизионными АЦП, встроенными источниками тока и мощным процессорным ядром позволяют достаточно просто реализовать такие устройства, что подтвердили исследования, проведенные автором.

Литература
  1. Брихт  М. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. 2006. № 1.
  2. 24‑Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor AD7745/AD7746 Analog Devices //
  3. 24‑Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor Sensor AD7747 Analog Devices // 
  4. Extending the Capacitive Input Range of the AD7745/AD7746 Capacitance-to-Digital Converter. Circuit Note CN‑0129 // 
  5. Using the ADuCM360/ADuCM361 Low Power, Precision Analog Microcontroller with Dual Sigma-Delta ADCs, ARM Cortex-M3 // 
  6. CAV414 — Capacitiy/voltage (C/V‑) transducer IC with adjustable output voltage // 
  7. CAV424 — C/U transducer IC with adjustable output voltage // 
  8. CAV444 — C/V transmitter IC with adjustable output voltage for capacitive input signals //

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

?>