电容数字转换器AD774的工作原理和应用

电容数字转换器ＡＤ７７４的工作原理和应用

作者：郭 强 谢 康 姜海明 王 浩 来源：《现代电子技术》2008年第14期

摘 要：AD774是AD公司生产的具有总线接口的电容数字转换器。该转换器支持

单端电容输入和差分式电容输入，同时在片内集成了温度传感器，可以用于代替系统中的温度传感器。该芯片广泛的应用于生化探测、压力探测、电压探测、杂质探测等领域。介绍AD774的功能原理和工作模式，同时给出一种使用该芯片的实际应用。 关键词：Σ-Δ调制器；差分式电容输入；单端电容输入；

总线

(chool of Optoelectronic Information,University of Electronic cience and echnology of China,Chengdu,61 Abstract：

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

Keywords：Σ-Δ modulator;differential capacitive input;single- 1 引 言

AD774是AD公司生产的具有高的分辨率、低功耗的电容数字转换器。该芯片性能稳定，操作方便，可以和多种电容传感器一起开发各种实际产品。AD774的主要特点如下： (1) 电容数字转换器

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具有单端电容探测器或者差分式电容探测器接口； 分辨率：4 aF；精确度：4 fF；线性度：001%； 在普通模式下，电容高达17 pF； 可测量电容范围：-

可容忍高达60 pF的寄生电容； 更新频率：10~60 z。 (2) 片上温度传感器

分辨率：01 ℃；精确度：±2 ℃； 电压输入通道； 内部时钟振荡器； 两线串行接口 (3) 电源

27~2 V单电源供电。 2 工作原理及引脚功能 21 工作原理

AD774的核心是一个高精度的转换器，由1个二阶调制器和1个三阶数字滤波器构成。AD774可以配置成一个电容数字转换器(CDC)，也可以配置成一个经典的模数转换器(ADC)。除了转换器外，AD774集成了一个多路复用器、一个激励源和电容数模转换器(CAPDAC)作为电容的输入、一个温度传感器、一个时钟发生器、一个控制校正逻辑、功能框图如图1所示。下面对图中的主要部分进行功能说明。 (1) Σ-Δ调制器

Σ-Δ调制器是AD774的核心，它是将模拟信号转换成数字信号的器件，其工作原理是：被测的电容

被连接在CDC激励输出(EXCA或者EXCB)与Σ-Δ调制器输入(VIN(+))之

，

-Δ

间，在1个转换周期，一个方波激励信号(从EXCA或者EXCB输出)被加到

接口。AD774的

兼容)。

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调制器连续采样经过波器输出，经过校正，由 (2) 电容数模转换器

的电荷。数字滤波器处理Σ-Δ调制器的输出，数据经过数字滤串行接口将数据读出。

电容数模转换器(CAPDAC)可以被理解成一个负电容直接内部连接到CIN引脚。在AD774中有2个CAPDAC，一个连接到CIN1(+) ，另一个连接到CIN1(-)，如图2所示。输入电容

差分模式下)与输出数据(DAA)之间的关系如下：

电容数模转换器可以用来编程被测电容的输入范围，通过设置CAPDAC(＋)和CAPDAC(-)的值，可以改变被测电容的范围，比如在单端模式下，将CAPDAC设置成温度传感器±4 pF，被测电容的变化范围成了0~8 pF。 (3) 温度传感器

AD774使用1个片上晶体管测量芯片内部的温度，芯片的温度变换将影响到晶体管的电压

，Σ-Δ调制器将

转变成数字信号，最终的输出线性于温度的变

时，小于

化。由于AD774的功耗很低，因此它自身产生的热量很少(在

0 ℃)，被测电容探测器的温度可以认为和AD774的温度相同，因此AD774内部的温度传感器可以用做系统的传感器。也就是说，整个系统的温漂补偿可以基于片内的温度传感器，而不需要片外器件。

串行接口

兼容2线串行接口，

总线上的2根线是CL(时钟)和DA(数据)，

AC774支持

所有的地址、控制和数据信息都通过这2根线进行传输。 22 引脚功能

AD774的引脚分布如图3所示可知。各引脚功能描述如下： CL：

串行时钟输入；

RDY：逻辑输出。当该引脚信号的下降沿到来时，表示在已经使能的通道转换已经完成，同时新的数据已经到达该通道；

EXCA，EXCB：CDC激励输出。被测电容接在EXC引脚和CIN引脚之间； REFIN(＋)，REFIN(-)：差分参考电压输入；

CIN1(-)：在差分模式下，CDC的负电容输入；在单端模式下，该引脚内部断开；

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CIN1(＋)：在差分模式下，CDC的正电容输入；在单端模式下，CDC的电容输入； NC：空管脚；

VIN(＋)，VIN(-)：ADC的差分电压输入。此引脚同时连接外部温度探测二极管； GND：接地端；

VDD：电源端；27~2 V单电源供电； DA：双向

3 AD774的工作模式

31 差分模式

当被测电容传感器是差分式电容传感器，其连接方法如图2所示，差分电容探测器的正电容输入连接到CIN1(+) ，负电容输入连接到CIN1(-)。通过寄存器(Cap etup register)中的CAPDIF位设置成1。 32 单端模式

当被测电容传感器是是单端电容传感器，其连接方法如图4所示。可以通过设定CAPDAC(＋)的值调整被测的电容传感器的输出范围。

4 具体应用

电容传感器的种类很多，总体可以分为改变极板之距离的极距型传感器；改变极板遮盖面积的面积型传感器；改变电介质之介电常数的介质型传感器。

本应用使用根据极板间介质的介电常数随湿度而改变的差分式电容传感器，将差分式电容传感器的正负电容输出分别接到AD774的CIN1(+)和CIN1(-)引脚。然后将AD774接到3 V/ V电压上，将AD774的输出通过

总线接到主机控制器， CL和DA要接10 kΩ的上拉电

接口和UAR串口(见图)。

阻。主机控制器选择P89C668，因为该MCU具有

接口将AD774中的电容设置

串行数据线。

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本系统将电容传感器放置在需要探测的环境中，在PC即显示该环境的湿度，软件流程图如图6所示。 结 语

由于AD774功能稳定，操作简单，可以于多种电容传感器使用，可以用于压力探测，电压探测、杂质探测等方面的应用和开发。

参 考 文 献 ［1］AD公司

［2］Philips半导体公司

［3］吴玉宝A/D转换器MAX1270与1单片机的接口设计[J]电子制作,2007(6):49-

［4］项四平单片机与串行A/D转换器LC0834的接口设计[J]国外电子元器件,2003(7):10- 马长芳传感器与传感器技术[M]北京:科学出版社 ［6］谭浩强C程序设计[M]2版北京:清华大学出版社 ［7］杨恢先单片机原理及应用[M]北京:人民邮电出版社 ［8］孙鑫VC++深入详解[M]北京:电子工业出版社，2006