通過長傳輸線連接微控制器**測量小電容（和其他）傳感信號

1  介紹

在工業(yè)應(yīng)用中從模擬向數(shù)字電路轉(zhuǎn)變的運(yùn)動已經(jīng)進(jìn)行了有幾年了，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成…

十多年前，在這場變革剛剛開始的時候，一家位于Breda的荷蘭公司Smartec預(yù)見到智能傳感器的需求并且研制了一個可以被微控制器輸入直接采樣的，具有模擬/數(shù)字輸出的高精度溫度傳感器。由于創(chuàng)立了一個輸出信號的智能方式，分辨率（0.005K）僅由基礎(chǔ)物理和控制器的取樣速度限制。

這個信息是非常重要的，因為它是更重要的下一步研發(fā)的基礎(chǔ)。Smartec認(rèn)識到在這些年，電子電路有經(jīng)驗的設(shè)計者必須非常熟悉哪些知名的模擬傳感器，例如PT100,PT1000,電容元件，橋阻等。因此，Smartec開始研發(fā)一個接口，它可以直接連接這樣的模擬傳感器和微控制器輸入。一個像這樣的接口將會與設(shè)計者長期的經(jīng)驗結(jié)合，在處理數(shù)位數(shù)據(jù)方面帶來極大方便。

設(shè)計上的局限通常是：

1 單芯片接口測量電阻，電容，橋阻.

2 高精度和高分辨率（13～14bits）.

3 遠(yuǎn)距離測量（3線或4線測量）。

4 精度依賴于處理器的時鐘精度，沒有外部的晶振。

5 對偏置和增益的持續(xù)自校正。

6 沒有溫度漂移

7 沒有長期漂移

8 抑制50/60Hz的信號

9 對多個傳感器的簡單的多路技術(shù)

10 單電源供電和低功率消耗

這個接口是同代夫特科技大學(xué)合作開發(fā)，結(jié)果就誕生了UTI（通用傳感器接口）。

下面的文章將會詳細(xì)解釋UTI的功能。我們將向你展示，你將如何在幾米的距離之外，測量2pF之內(nèi)的未知電容值，精度達(dá)到13bits，而分辨率達(dá)到14bits。這意味著分辨率小于0.0002pF。一旦設(shè)計者完全理解了怎樣實(shí)現(xiàn)這些，他將會簡單的使用UTI的其它15種模式的操作。像同時測量三個未知電容，PT元件，電阻，阻橋等。在這篇文章的*后，你會找到這16種模式的一個列表。

UTI是結(jié)合了兩種原理開發(fā)出來的：

1 四線測量技術(shù)（為了克服阻抗問題，像寄生電容）

2 三信號技術(shù)，目的是

A． 克服偏置和增益錯誤，溫度漂移等。（自校正）

B． 獨(dú)立于處理器的時鐘穩(wěn)定性

如果你使用UTI，當(dāng)同時應(yīng)用這兩個原理，你將會使用很少的元件，得到很好的效果。因為原理2是由微控制器程序執(zhí)行的，硬件由軟件替代，這有助于降低你的產(chǎn)品成本。

2  一個簡單的理論

沒有專注于電子學(xué)領(lǐng)域，希望**的測量電容的容值不是件很容易的事。

假定你希望使用一個具有專門輸入的數(shù)字萬用表來測量電容Cx的容值。如果你將有越短越好引腳的電容直接插入萬用表，你將得到一個適當(dāng)精度的讀數(shù)，這依賴于萬用表的品質(zhì)。這被稱作單端方式，如果你不需要真正的精度的話，中間沒有傳輸距離，你只需要一個讀數(shù)而并不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

如果你希望跨越一定距離采用連線方式**的測量電容的容值的話，情形如圖1：

圖1 失效的單端萬用表測量（測量Cx+Cp）

萬用表將會簡單的給你一個數(shù)值Cx+Cp，Cp是連接線的寄生電容。沒有屏蔽的連接線的天線效應(yīng)將會使事情更加糟糕。就像你看到的一樣，在這種情況下，單端方式失效了，這里沒有簡單的工作區(qū)。解決這個問題的一個快速的方式是使用UTI，使用它的雙端測量。

3 兩端測量

如果我們從單端測量轉(zhuǎn)到兩端測量，情況就完全改變了。圖2給出了兩端測量原理是如何工作的。需要澄清的是，我們把UTI畫成兩部分，輸出在一邊，輸入在另一邊。

圖2 UTI兩端方式（僅僅測量Cx）

Cx的左手邊是由電壓源以非常小的輸出阻抗驅(qū)動的。這樣的結(jié)果就是Cp1沒有影響。通過收集由右手邊感應(yīng)出的電荷，在電流輸入的幫助下，Cp1也有一個非常低的阻抗，我們忽略Cp2收集的任何感應(yīng)電荷。事實(shí)上，Cp1和Cp2都被UTI短路掉了。這樣的結(jié)果就是Cp2也失去了它的寄生特性，同樣也不影響Cx的測量結(jié)果。

因為這里沒有地信號，所以實(shí)際的測量可以用三個UTI引腳的連接來實(shí)現(xiàn)，如圖3：

圖3  實(shí)際的UTI連接（僅僅測量Cx）

因為UTI的輸入端A是非常敏感的輸入端，連接線應(yīng)該采用屏蔽類型，屏蔽層應(yīng)連接到UTI信號地。

由輸入端A收集的感應(yīng)電荷，控制了激勵頻率。內(nèi)部振蕩器的周期是與電容容值成比例的。頻率被除以128（快速模式）或1024（慢速模式）。一個完整周期（分割后的）信號變成了一個輸出狀態(tài)（被微控制器取樣）。在快速模式下，可以得到更多的測量值（8倍）。但是代價是降低了精度。在慢速模式下，可以得到*大的精度。對慢速和快速模式來說，a0和a1的值是不同的。

采用圖3的測量設(shè)定，UTI將會給你一個很好的相關(guān)性的關(guān)于電容Cx容值的指示，來自連接線的寄生電容都被消除了。與Cx有關(guān)的數(shù)字輸出定時器的周期與Cx的容值成比例（T=a0+a1*C）。

如果我們可以將UTI用另一個代替，這將會給你一點(diǎn)輕微的數(shù)值變化（就像用了另外一個萬用表一樣）。不同的UTI，導(dǎo)致內(nèi)部放大器的偏置和增益不同。為了解決這個問題，UTI同樣有**的解決方案，那就是三信號技術(shù)。

4 三信號技術(shù)

我們將使用具有一個已知值的被稱作參照電容的**個電容，通過**根線連接到輸出端C。圖4給出了連接方式。因為連接線的精度是由UTI掌控的，所以連接線不需要是一樣的。參照電容應(yīng)該緊挨著UTI，這樣就不會有精度損失。

圖4 三信號技術(shù)

當(dāng)我們打開UTI時，數(shù)字輸出給了我們?nèi)齻€時間間隔Toff，Tref，Tx(如圖5)。這些間隔分別與Coff(通常是0)，Cx，Cref成比例。

我們也可以在B和A之間連接一個第三個電容，一個外部偏置電容Coff，ext。但是此時有一個更好的選擇就是讓這個電容為0。這個電容不存在，但是此時仍然有一個內(nèi)部的引腳與引腳間的電容（Coff，int）。

在接下來的段落里，我們將會向你展示我們通過結(jié)合已知容值電容Cref和處理定時信息，可以消除偏置和增益錯誤，和像溫度漂移等其他的錯誤來源。

5 實(shí)行和一點(diǎn)數(shù)學(xué)

如果你連接UTI到兩個電容，如圖4，并且使UTI工作在模式1(一個未知電容的模式)下，你將得到一個像圖5一樣的輸出信號。

圖5 從UTI的數(shù)字輸出

信號包含三個狀態(tài)，持續(xù)時間分別是Toff，Tref，Tx。**個狀態(tài)的持續(xù)時間，Toff，總是*短的，對應(yīng)于開路輸出端B的值。它給你關(guān)于偏置錯誤的信息，總是可以從它是兩個周期被識別（兩個高電平，兩個低電平）。

讓我們更詳細(xì)點(diǎn)。所有的電容值都被UTI轉(zhuǎn)化為他們對應(yīng)的周期持續(xù)時間。總的公式是：

T=a0+a1*Cext，在這里a0表示內(nèi)部UTI偏置，而a1表示UTI增益。

有兩個電容，我們得出如下等式：

通過測量這三個狀態(tài)周期Toff，Tref，Tx的持續(xù)時間，我們可以得出Cx，a0和a1的值。這些周期都能夠在任何微控制器用一個引腳測量。

下面我們將看到，取得的精度依賴于取樣率和UTI工作在那種模式之下。增加的精度總是可以通過多個周期取樣獲得和/或以一個高速率取樣獲得。

由于我們沒有連接任何外部電容到輸出端B，Coff的值是0。這告訴我們：

現(xiàn)在我們有三個等式，1，2，3和三個未知量（Cx，a0和a1），所以我們能夠解出這個方程。讓我們計算

因此，并且

這意味著求Cx的值，可根據(jù)5式計算出M，然后再乘以參照電容的值。

當(dāng)UTI使用在模式1下時，a0和a1的典型值是：

在慢速模式下，這些值是8倍大。

通常使用者僅僅關(guān)注通過求解1，2，3得出的對Cx值的估計，越**越好。如果有人關(guān)心偏置和增益，他們將會作如下計算：

6 分辨率考慮

使用UTI的不同操作模式（電容，電阻，橋阻等）和速度模式，可以獲得的*大的分辨率是不同的。在快速模式下，UTI大概每10ms實(shí)現(xiàn)一個完整的測量周期，在慢速模式下大概是100ms。在慢速模式下比快速模式可獲得的*大分辨率要好一些（大概3bits）。正像你看到的一樣，為了得到高精度的結(jié)果，當(dāng)測量電容，電阻或橋阻時，只需要一個很小的處理電源。

通常來講，分辨率主要依賴于兩個不同的噪聲源。一個時內(nèi)部UTI熱噪聲，另外一個是量化噪聲，這取決于取樣率。UTI的熱噪聲是1/f噪聲，表現(xiàn)為圖6：

圖6 UTI分辨率

測量狀態(tài)量的量化噪聲標(biāo)準(zhǔn)差是：

這里，ts是取樣時間，Toff是偏置狀態(tài)持續(xù)時間。我們選擇Toff是因為它是*短狀態(tài)，因此對結(jié)果的分辨率是一個保守的估計。

在圖6中給出的量化噪聲對應(yīng)于取樣率為1MHz，滿量程是2pF，UTI在慢速模式下。在這個模式下，對一個輸出狀態(tài)，激勵源頻率（在自由運(yùn)行時為50KHz）包含有1024個循環(huán)。Toff總計為1024*20μs，大概為20ms。公式1得出。因此，在這個情況下，*好的相對標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)于*大的分辨率是15.5bits。

正如你在圖6中看到的一樣，并沒有增加取樣率（可以降低量化噪聲線在圖6中），這是因為熱噪聲總是*重要的因素。因為這個，實(shí)際上，測量小電容的*大分辨率是14bit（而不是1.5bit）。

另外一個因素也必須考慮，那就是寄生電容Cp的影響。在上面我們定義這個電容的影響是完全被電磁輸出阻抗和輸入端電荷收集抵消。這樣的情況僅發(fā)生在Cp的值相對于選擇的量程是合理的情況下。在量程為2pF時，這意味著Cp不能大于50到100pF。當(dāng)Cp的值增加時，所有的分辨率都降低。UTI的這個特性有很好的備注，但是超出了這篇文章的論述范圍。

7 增加的信息

操作模式列表

應(yīng)用注解

在網(wǎng)頁smartec.www.nl(支援中心)上可以找到UTI的應(yīng)用指南，包括電路原理圖，軟件列表和流程圖。

8 總結(jié)

UTI是一個自校正通用接口用于將所有模擬傳感器，例如，小電容，PT100(0)元件，阻橋等直接連接到微控制器。UTI執(zhí)行傳感器的值的測量和將這些值轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的信號輸出。微控制器從輸出中取樣并作一些簡單的運(yùn)算，這被稱作三變量技術(shù)。使用這項技術(shù)，可以消除類似增益和偏置錯誤和溫度漂移。過去這樣的應(yīng)用都是由**模擬電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在可以用一個UTI芯片和一個微控制器程序?qū)崿F(xiàn)。硬件被軟件替代。

微控制器可以是簡單的PIC處理器，只要取樣速率足夠高。為了獲得*大的精度，每個狀態(tài)大概要取樣100，000次。（5MHz在20ms內(nèi)）

使用UTI，它是一種三變量技術(shù)，設(shè)計者的工作會變得簡單一點(diǎn)。