CN0346 AD7745片內(nèi)集成激勵源，該激勵源連接傳感器的發(fā)送器走線。還可使用容性檢測，實現(xiàn)近距離傳感器?；窘嚯x傳感器包括一個接收器和一個發(fā)射器，每個都是由PCB層上的金屬走線組成。接收器與發(fā)送器走線之間產(chǎn)生電場。這個電場大部分集中在傳感器PCB的兩層之間。不過，邊緣電場從發(fā)射器擴(kuò)展到PCB之外，并終止回到接收器。通過片內(nèi)Σ-Δ型CDC在接收器處測量電場強(qiáng)度。當(dāng)人手進(jìn)入邊緣電場時，電場環(huán)境會發(fā)生變化，一部分電場被分流到地而不是終止于接收器。電容值因而減小，并由轉(zhuǎn)換器檢測到，與皮法量級的電場相比其變化量為飛法量級。 本電路使用 EVAL-SDP-CB1Z 演示平臺(SDP)評估板和EVAL-CN0346-PMDZ電路板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。 EVAL-CN0346-PMDZ包含待評估電路，如本電路筆記所述。EVAL-SDP-CB1Z與 CN-0346 評估軟件 一同使用，收集 EVAL-CN0346-PMDZ 的數(shù)據(jù)。SDP/PMD轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z) 用來將 EVAL-CN0346-PMDZ 板與 EVAL-SDP-CB1Z 板相連，如圖3所示。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0346-PMDZ 評估板 EVAL-SDP-CB1Z 評估板 SDP/PMD 轉(zhuǎn)接板 (SDP-PMD-IB1Z) CN-0346 評估軟件 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?(32位)或Windows? 7(32位)PC 容性濕度傳感器、Innovative Sensor Technology P14-W (EVAL-CN0346-PMDZ板上集成) 6 V、100 mA 電源 6 V 壁式電源適配器 一個濕度受控的樣品室 開始使用 將 CN-0346 評估軟件 光盤放入PC，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。 功能框圖 測試設(shè)置框圖參見圖3，電路原理圖參見EVAL-CN0346-SDPZ-SCH-RevX.pdf文件。此文件位于 CN-0346 設(shè)計支持包中。 設(shè)置 將EVAL-SDP-CB1Z上的120引腳連接器連接到SDP-PMD-IB1Z板上。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。將EVAL-CN0346-PMDZ連接到SDP-PMD-IB1Z板上的連接器J2。 在斷電情況下，將一個6.0 V直流管式插孔連接到SDP-PMD-IB1Z板上的連接器J1。將EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。在斷電情況下，將6 V電源連接到EVAL-CN0346-PMDZ評估板上的連接器J5。此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。 將整個系統(tǒng)放入帶有濕度控制的密封樣品室內(nèi)。另外，如果有必要的話，還可在目標(biāo)環(huán)境中僅放置檢測元件。外部濕度計或其他經(jīng)過校準(zhǔn)的濕度傳感器可用作校準(zhǔn)或驗證來自CN-0346評估軟件輸出數(shù)據(jù)的參照點(diǎn)。 測試 將電源施加到SDP-PMD-IB1Z板連接器J1的直流管式插孔上。將電源施加到EVAL-CN0346-PMDZ板的連接器J5上。啟動CN-0346評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。 一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z來發(fā)送、接收和捕捉來自EVAL-CN0346-PMDZ的串行數(shù)據(jù)。 有關(guān)EVAL-SDP-CB1Z的信息，請參閱 SDP 用戶指南。有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請參閱 CN-0346 軟件用戶指南。 RH是空氣中水蒸氣的含量，以某一溫度下空氣中最大承受量的百分比表示。相對濕度是一個重要的指標(biāo)，因為它將溫度和壓力的效應(yīng)納入考慮范圍。 濕度計是傳統(tǒng)的RH測量設(shè)備，多年來采用了多種形式，包括金屬紙卷、人的頭發(fā)以及雙溫度計部署?，F(xiàn)代電子部署中采用容性元件，可抵抗老化效應(yīng)、冷凝和快速溫度波動。 當(dāng)聚合物或金屬氧化層受不同量的水分影響時，容性傳感器的介電常數(shù)也會發(fā)生變化。大部分容性傳感器需要經(jīng)數(shù)秒才會對濕度變化做出響應(yīng)。 濕度傳感器特性 圖1中的電路使用Innovative Sensor Technology P14-W系列容性傳感器。傳感器的重要規(guī)格包括電容、靈敏度、溫度、線性度和遲滯。 傳感器的典型電容較大為150 pF ± 50 pF(30% RH時)。該共模電容不影響相對濕度讀數(shù)，但需要特殊電路才能與電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)接口。 容性元件的靈敏度決定了相對濕度讀數(shù)。靈敏度是相對濕度改變1%時，電容的變化量；通過測量兩個獨(dú)特相對濕度點(diǎn)的電容，并除以RH百分比的變化即可計算得到靈敏度。 P14-W的典型靈敏度為0.25 pF/% RH。 若要計算特定相對濕度條件下的傳感器溫度依賴性，可使用下列公式和系數(shù)(數(shù)據(jù)來自Innovative Sensor Technology P14-W數(shù)據(jù)手冊)： 其中： B1 = 0.0014/°C %RH = 42% B2 = 0.1325% RH/°C T = 23°C B3 = ?0.0317 B4 = ?3.0876% RH TDEPEND = ?0.0191% RH. 若溫度為23°C，則42% RH計算值將改變?0.0191% RH。將此數(shù)值加入% RH計算值可校正傳感器的溫度依賴性。 Innovative Sensor Technology P14-W系列的線性度和遲滯為±1.5% RH。 計算相對濕度 相對濕度可由電容C和溫度T算得，計算步驟如下： 從電容讀數(shù)中減去電容。 除以靈敏度。 在計算值中加入?yún)⒖紳穸取? 計算溫度依賴性TDEPEND。 在步驟3的結(jié)果中加入TDEPEND。 例如，假設(shè)容性傳感器讀數(shù)為C = 153 pF (T = 23°C)，若理想特性如下： 電容 = 150 pF (30% RH) TDEPEND = ?0.0191% RH 靈敏度 = 0.25 pF/% RH 參考點(diǎn) = 30% RH (23°C) 根據(jù)上文說明以及下文公式，計算相對濕度： 計算相對濕度測量的溫度依賴性方法與所選特定濕度傳感器有關(guān)；因此，必須始終參考數(shù)據(jù)手冊來確定正確公式。 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC) 24位 AD7745 CDC使用開關(guān)電容充電平衡電路測量電容，如圖2所示。吞吐速率為10 Hz至90 Hz。 圖2.單端容性傳感器部署 ? 電荷與電壓和電容的乘積Q = V × C成正比，轉(zhuǎn)換結(jié)果表示輸入傳感器電容CSENS與內(nèi)部參考電容CREF之比。激勵電壓(EXC)和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(VREF)具有固定的已知值。 待測CSENS連接激勵源和Σ-Δ型調(diào)制器輸入。轉(zhuǎn)換期間在CSENS上施加32 kHz方波激勵信號，而調(diào)制器會對流過CSENS的電荷進(jìn)行連續(xù)采樣。數(shù)字濾波器處理調(diào)制器輸出，該輸出為0和1位流。轉(zhuǎn)換值包含在位流的1密度中。來自濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)節(jié)并經(jīng)過校準(zhǔn)，結(jié)果通過串行接口讀取。 輸入范圍調(diào)節(jié) AD7745測量輸入電容時有兩個限制。首先，其動態(tài)范圍為±4.096 pF，但很多基于電容的濕度傳感器具有更大的動態(tài)范圍。其次，CDC的最大共模電容為21 pF。很多濕度傳感器具有更大的電容。 AD7745具有偏置輸入共模范圍的能力，方法是編程設(shè)置內(nèi)部7位電容DAC (CAPDAC)寄存器。CAPDAC用作負(fù)電容，通過內(nèi)部連接至CIN1±引腳。這允許高達(dá)21 pF典型值的共模電容。 加入圖1所示的范圍擴(kuò)展電路，確保在CSENS中傳輸?shù)碾姾杀３衷贏D7745的輸入范圍內(nèi)。為此，激勵電壓減小F倍，以使傳感器電容增加F倍。 計算范圍擴(kuò)展系數(shù) 若要計算范圍擴(kuò)展系數(shù)，必須編程設(shè)置AD7745的兩個獨(dú)立激勵源(EXCA和EXCB)，以使EXCB等于EXCA的倒數(shù)。電阻R1和R2的連接如圖1所示，由此獲得的范圍擴(kuò)展系數(shù)F等于AD7745差分激勵電壓(VEXCA/VEXCB，位于EXCA與EXCB之間)與運(yùn)算放大器AD8515正輸入端的衰減激勵信號(VEXCS)的比值。范圍擴(kuò)展系數(shù)計算如下： 衰減后的激勵電壓VEXCS的平均電壓為VDD/2。AD8515運(yùn)算放大器用作低阻抗緩沖器，確保AD7745開始采樣時，CSENS處于完全充電的狀態(tài)。 傳感器電容可能高達(dá)200 pF，且AD7745共模電容的最小值為17 pF，因此所需范圍擴(kuò)展系數(shù)(FCM)為： 傳感器動態(tài)范圍計算如下： 動態(tài)范圍所需的范圍擴(kuò)展系數(shù)(FDYN)計算如下： 計算表明，決定范圍擴(kuò)展系數(shù)的參數(shù)是傳感器電容；因此，后續(xù)計算將使用F = 11.76。 選擇電阻值 選擇R1和R2值，部署所需的范圍擴(kuò)展系數(shù)。選擇R1值為100 kΩ。然后計算R2的電阻值，并將其向下舍入為標(biāo)準(zhǔn)E96系列中的下一值： 其中： R1 = 100 kΩ F = 11.76 R2 = 118.58 kΩ. 使用容差為1%或更低的電阻。任一電阻(R1或R2)值的小幅變化都可導(dǎo)致范圍擴(kuò)展系數(shù)的大幅變化。若R1電阻值為100 kΩ，R2電阻值為118 kΩ，則范圍擴(kuò)展系數(shù)為： 使用CAPDAC移除共模電容 AD7745容性輸入經(jīng)過出廠校準(zhǔn)，因此輸入范圍為0 pF至4.096 pF(單端模式)，以及±4.096 pF(差分模式)。AD7745集成內(nèi)部CAPDAC，允許調(diào)節(jié)輸入共模電容。 CAPDAC用作負(fù)電容，通過內(nèi)部連接至CIN1±引腳。有兩個獨(dú)立的CAPDAC，一個連接到CIN1(+)，另一個連接到CIN1(?)。 CAPDAC具有7位分辨率，滿量程值為21 pF ± 20%。 計算圖1示例中單端濕度檢測元件所需的CAPDAC設(shè)置時，可將針對下列十進(jìn)制代碼值對應(yīng)的17 pF共模電容設(shè)置CAPDAC： 測試設(shè)置 CN-0346系統(tǒng)未正確設(shè)置并校準(zhǔn)前，無法收集測試數(shù)據(jù)。首先，將EVAL-CN0346-PMDZ印刷電路板(PCB)放置在一個濕度受控的空間內(nèi)，并連接精密電感電容電阻(LCR)計量儀(HP4284A)。LCR計量儀將任何電容計算與傳感器的實際電容值關(guān)聯(lián)起來。兩組導(dǎo)線從每一個PCB的密閉容器中伸出去。第一組導(dǎo)線專用于I2C數(shù)字通信。第二組導(dǎo)線允許通過LCR計量儀直接測量傳感器電容；只有在E VA L-CN0346-PMDZPCB未連接電源時才可執(zhí)行此測量。 圖3顯示用于基準(zhǔn)測試設(shè)置中數(shù)據(jù)采集的框圖。 圖3.基準(zhǔn)測試框圖? 其次，對于兩個特定的濕度水平(5% RH和95% RH)，使用AD7745測量外殼的溫度，并使用LCR計量儀測量傳感器電容。使用這兩個校準(zhǔn)點(diǎn)來計算傳感器的靈敏度。 將靈敏度輸入Calculations選項卡中的Relative Humidity Calculation 字段(圖4)。使用10% RH校準(zhǔn)點(diǎn)填充C_BULK字段和RH_REF(%)字段。 最后，計算所需CAPDAC共模值，并將其輸入CAPDAC字段，如圖5所示。 至此，CN-0346系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒并完成計算。Click to Sample可將傳感器電容值以C_CALC形式顯示在Capacitance Calculation窗口中。收集樣本時，改變濕度，觀察相對濕度計算的變化。 圖4.CN-0346評估軟件的 Calculations 選項卡屏幕截圖 ? 圖5.CN-0346評估軟件的Calibration選項卡屏幕截圖 ? 測試結(jié)果 所有測試數(shù)據(jù)均來自放入密閉容器的Boveda包(Boveda, Inc.)以及三個EVAL-CN0346-PMDZ PCB，如圖6所示。Boveda包內(nèi)含有經(jīng)特殊處理的純凈水和鹽溶液，設(shè)計用于控制密閉容器內(nèi)的濕度，使其保持±2.5%的特定預(yù)設(shè)相對濕度值。 圖6.數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)測試設(shè)置 ? 圖7顯示整個相對濕度范圍內(nèi)的相對濕度誤差。 圖7.相對濕度測量誤差 ? PCB布局考慮 在任何注重精度的電路中，應(yīng)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。本系統(tǒng)的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關(guān)布局和接地的信息，請參見 MT-031 指南；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見 MT-101 指南 。 所有IC的電源應(yīng)當(dāng)用1 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。 電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。將時鐘和其他快速開關(guān)數(shù)字信號連接至數(shù)字地，以便它們和電路板上的其他器件相屏蔽。PCB如圖8所示。 欲獲得有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計支持包，請訪問 www.analog.com/CN0346-DesignSupport。 圖8. EVAL-CN0346-PMDZ PCB 照片 ? CN0346 相對濕度測量系統(tǒng) 圖1所示雙芯片電路是一款非接觸式、基于電容的相對濕度(RH)測量解決方案，該方案具有2%相對濕度精度(0% RH至100% RH)，并可替代體積龐大、基于濕度計的解決方案。該電路適合精度、溫度控制、非接觸式濕度測量至關(guān)重要的應(yīng)用，比如H VA C、電信機(jī)柜、嬰兒保溫箱以及其他工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用。 潮濕導(dǎo)致容性傳感器的介電常數(shù)隨周圍環(huán)境的相對濕度而改變。例如，本電路中使用的 Innovative Sensor Technology P14-W 容性傳感器由頂部電極、聚酰亞胺層和底部電極組成，靈敏度為0.25 pF/% RH，線性度為1.5% RH。 濕度傳感器輸出經(jīng)24位、Σ-Δ型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC) AD7745數(shù)字化處理。雙線式I2C兼容接口允許訪問內(nèi)部配置寄存器，同時執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 軌到軌放大器 AD8615 具有極低的失調(diào)電壓(65 μV)和寬信號帶寬(>20 MHz)性能，可用作單位增益緩沖器，并為傳感器提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號。 圖1.基于容性檢測的濕度測量系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接) ? CN0346 CN0346

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