本次在线座谈首要介绍了ADI先进的阻抗与电容丈量转化器的原理及运用。本文包含两部分内容：榜首部分首要评论阻抗转化器，第二部分首要评论电容转化器。在这两部分中，咱们先回忆电阻和电容丈量办法的首要特色，然后介绍ADI针对这两种运用推出的先进的阻抗数字转化器及电容数字转化器。
一。阻抗转化器
阻抗界说
实践国际的电路元件很杂乱，除表现出电阻特性外，还会表现出电容特性和电感特性。因而引进阻抗的概念。阻抗是一个通用概念，它不只考虑了元件在特定频率条件下的阻值，还考虑了在此频率下的相位联系。
经过丈量一系列频点下的阻抗，能够获取有关待测元件的特性。这是阻抗频谱法的根底，也是许多工业、仪器仪表和轿车传感器运用的理论根底。
阻抗频谱法阻抗频谱法运用了电阻器、电感器和电容器所表现出来的不同频率特性。抱负电阻器对一切频率都具有稳定的阻抗，抱负电感器的阻抗会随频率增高而增大，抱负电容器的阻抗会随频率增高而减小。
经过对不知道元件进行扫频，如对一个化学传感器调查其阻抗与频率的联系，便能够确认它是阻性元件、理性元件仍是容性元件。一般发生的呼应信号的实部和虚部系数与频率的联系曲线如图1所示。
阻抗频谱法包含两个层次的运用，包含：
1 定性地确认传感器的阻抗特征。首要在正常作业的条件下确认一个元件或许传感器的特征是“正常”的，然后该体系在可接受的约束条件之下检测其阻抗特征，其典型运用是金属辨认和挨近检测。
2.选用阻抗频谱法定量地丈量待测元件的实践阻抗参数。在这种情况下，需求树立一个等效电路模型来模仿待测元件。这种待测元件一般是一种电化学或生物医学现象，所以需求依据丈量到的阻抗特征调整该等效电路以便使其与丈量数据最佳匹配。选用这种办法能够对特定待测物进行剖析。
阻抗频谱法的重要运用之一即阻抗剖析。
典型阻抗剖析体系
图2给出了典型的阻抗剖析体系的简化功用框图。频率鼓励由DDS发生，DDS的输出频率在施加于不知道阻抗之前一般要经过滤波和扩大。运用ADC对不知道阻抗前、后的波形别离进行采样，然后送入DSP做进一步处理。这种简略的功用框图掩盖了几个基本问题。榜首个问题，ADC有必要对信号在一切频率规模内进行同步采样，这样才干比较鼓励波形和呼应波形以便取得相位信息。对此进程的优化是进步体系总功能的要害。第二个问题，由于选用了很多的分立元件，所以元件差错和温度漂移以及附加的噪声都会对丈量精度发生晦气的影响，尤其是在小信号作业的条件下。除了元件挑选和PCB尺度问题，很多分立元件还会给差错剖析带来核算困难。
因而，ADI公司开发了新的阻抗转化器结构以便处理上述问题。
阻抗转化器AD5933是一个1M采样率，12 bit分辩率的阻抗转化器，简称为IDC。它处理了前面罗列的许多问题，并集成了鼓励电路和呼应处理电路。它选用DDS发生预先确认的扫频，其操控分辩率为0.1 Hz，最高频率可达100 kHz。运用上述频率鼓励不知道阻抗，然后经过片内的ADC对其呼应波形进行数字化。
该器材的要害特色之一是它能做离散傅氏改换（DFT），将每个扫频点的实部和虚部值都供给给用户。运用这些值就能够方便地核算出呼应信号的起伏和相对相位信息。其作业原理是，首要将频率施加在不知道的阻抗上，该阻抗能够是阻性、容性、理性或许几种的组合。用户需求外接反应电阻来避免呼应信号超越ADC的量程而且确保体系的线性特性。经过电阻挑选，能够丈量从100 ～10 M 的阻抗，而且丈量精度可到达0.5%。ADC的输出会送到片内DFT模块进行数字处理，以便提取出其实部和虚部。因有评价软件支撑，答应将外部阻抗衔接到评价板，所以很简略生成阻抗与频率的联系曲线。
电容数字转化器
单电极电容传感器的缺陷
1）需求从传感器到地的虚拟电容耦合。
2）信号丈量途径中存在寄生电容，所以会导致不行重复和无法预知的丈量成果。
3）无法添加附加的输入维护电路。
双电极电容传感器的长处
1）它不依赖于电容对地耦合。
2）它对寄生电容不灵敏，意味着它只将信号电荷传递给转化器。这样就能够完成可预知的功能和简略得多的规划。
3）规划工程师能够依据需求添加附加的输入维护电路。
电容丈量办法
传统地，检测电容传感器的电荷改变的困难在于完成高功能、低本钱的电容输入的信号处理前端。一般说来，电容的丈量需求对电容器电极施加一个鼓励源。然后将电容的改变转化为电压、电流、频率或许脉冲宽度的改变。
典型的电容丈量办法包含：
a.“直接”办法，首要依照规则的时刻长度用特定的电流源对待测电容器充电，然后丈量该电容器两头的电压。这种办法需求小电流、高精密电流源和高输入阻抗才干丈量出电压。
b.首要用待测的电容器构成一个RC振荡器，然后丈量时刻常数、频率或周期。这种办法很简略，可是一般不能到达高精度。
c.丈量待测电容器的沟通（AC）阻抗。用一个正弦波信号源鼓励该电容器，然后丈量该电容器的电流和电压。运用四线制衔接到该电容器，运用份额丈量办法，用一个同步解调器供给最准确的成果。可是，这种电路非常杂乱而且需求的器材数量多。
∑-ΔADC
a.∑-Δ体系架构
∑-Δ是一种老练的技能，许多年来一向用于一般要求16 bit或更高分辩率的高功能ADC 。图3给出了工业规范单芯片 – ADC的简化体系结构。电容器的CIN和CREF周期性地切换到电压输入VIN和参阅输入VREF，它们将电荷存储到积分器CINT中。比较器检测积分器的输出并操控输入开关的相位以构成闭环反应环路，然后它使经过电压输入途径和参阅输入途径的电荷活动坚持平衡。一切闭环反应环路体系的意图都是为了到达平衡，或许换句话说是完成零差错。这便是∑-Δ ADC要极力完成的方针。
比较器会输出由‘0’和‘1’组成的码流，它会跟着用于环路平衡的电荷量而改变。电荷量与电压和电容成正比。由于电容的值是固定的，所以‘0’和‘1’的密度就表明输入电压（VIN）相对参阅电压（VREF）的比率。因而，全‘1’的稳定码流表明满量程，而全‘0’则表明零位或零点。经过后续数字滤波器处理，咱们能够得到输入电压转化成果。
这种体系结构的固有特色是高线性度和高精度，可是在分辩率和速度之间会有折衷。为了取得高精度，数字滤波器会花费较长的处理时刻。该转化器的分辩率受体系噪声的约束。别的，输出数据速率遭到时钟频率的约束，时钟频率取决于开关速度、积分器带宽和比较器树立时刻。
b.∑-Δ与电容传感器
规范的∑-ΔADC经过在芯片内的固定电容器和外界输入之间切换完成转化。假如电荷与电压和电容都成正比，在这种情况下已然电容是改变的，那么为什么不运用固定的电压来替代固定的电容？
基于此提出了改善的∑-ΔADC电路。固定输入电压能够看作电压鼓励源，被移至芯片外的可变电容器能够看作一个电容传感器。成果，输出数据将表明传感器电容相对CREF改变的比率。输入端的电荷是不变电容和可变电容之和。其间，要丈量的电容是可变电容。经过芯片内的CAPDAC（这儿没有示出），可从电荷反应环路中减去由不变电容发生的电荷。
∑-ΔADC电路上述立异的思维答应电容传感器与∑-ΔADC直接衔接，它具有高分辩率、高精度和高线性度等固有特色。在实践运用本电路体系结构时还有以下两个特色：
a.其接口对传感器节点与地之间的电容以及对地的漏电流都不灵敏，这两点依据实践电路都会引起特定的约束。
b.完好的电容数字转化器能够在单芯片中完成，因而具有高集成度、体系简略完成、高可重复性和高可靠性的特色，最终而且很重要的一点便是明显降低了体系本钱。
电容传感器运用实例
电容传感器的一个典型运用是压力检测，下面以此为例介绍电容传感器的详细运用。 压力传感器的电路图首要由两个电容极板构成，见图4。当对传感器施加压力时，电容极板就会相互接近。这就有用地减小了两极板之间的间隔‘d’，然后增大了电容。能够选用一个温度传感器来检测传感器温度的改变，由于其特性会随温度而改变。CDC的一个ADC电压通道用于周期性地丈量温度。压力传感器在工业、轿车和医学运用中有着广泛的运用。
ADI公司现已推出第一批高精度单芯片电容数字转化器。该电容传感器答应不变的共模电容输入规模是0 ～17 pF，满度电容输入规模为 4 pF。芯片的最大有用分辩率（ENOB）为21 bit。从电容值来看，这就意味着该芯片能够分辩的最小输入电容改变值为4 aF（阿法）――大约相当于25 aF的“实践”噪声自在电容。有人问过1 aF是多少，1 aF等于10“18F （法拉）。所以，25 aF等于0.025 fF。
该器材在 40～＋125℃的温度规模内能到达规则的技能指标，最大功耗电流仅为850 A，具有一个I2C接口，选用16引脚TSSOP封装。第一批CDC系列产品有三款器材，别离是AD7745，AD7746和AD7747。
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