通過(guò)長(zhǎng)傳輸線(xiàn)連接微控制器**測(cè)量小電容（和其他）傳感信號(hào)

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(dòng)已經(jīng)進(jìn)行了有幾年了，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完成…

十多年前，在這場(chǎng)變革剛剛開(kāi)始的時(shí)候，一家位于Breda的荷蘭公司Smartec預(yù)見(jiàn)到智能傳感器的需求并且研制了一個(gè)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(gè)輸出信號(hào)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(gè)信息是非常重要的，因?yàn)樗歉匾南乱徊窖邪l(fā)的基礎(chǔ)。Smartec認(rèn)識(shí)到在這些年，電子電路有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(kāi)始研發(fā)一個(gè)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(gè)像這樣的接口將會(huì)與設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，在處理數(shù)位數(shù)據(jù)方面帶來(lái)極大方便。

設(shè)計(jì)上的局限通常是：

1 單芯片接口測(cè)量電阻，電容，橋阻.

2 高精度和高分辨率（13～14bits）.

3 遠(yuǎn)距離測(cè)量（3線(xiàn)或4線(xiàn)測(cè)量）。

4 精度依賴(lài)于處理器的時(shí)鐘精度，沒(méi)有外部的晶振。

5 對(duì)偏置和增益的持續(xù)自校正。

6 沒(méi)有溫度漂移

7 沒(méi)有長(zhǎng)期漂移

8 抑制50/60Hz的信號(hào)

9 對(duì)多個(gè)傳感器的簡(jiǎn)單的多路技術(shù)

10 單電源供電和低功率消耗

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

下面的文章將會(huì)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(cè)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(jì)者完全理解了怎樣實(shí)現(xiàn)這些，他將會(huì)簡(jiǎn)單的使用UTI的其它15種模式的操作。像同時(shí)測(cè)量三個(gè)未知電容，PT元件，電阻，阻橋等。在這篇文章的*后，你會(huì)找到這16種模式的一個(gè)列表。

UTI是結(jié)合了兩種原理開(kāi)發(fā)出來(lái)的：

1 四線(xiàn)測(cè)量技術(shù)（為了克服阻抗問(wèn)題，像寄生電容）

2 三信號(hào)技術(shù)，目的是

A． 克服偏置和增益錯(cuò)誤，溫度漂移等。（自校正）

B． 獨(dú)立于處理器的時(shí)鐘穩(wěn)定性

如果你使用UTI，當(dāng)同時(shí)應(yīng)用這兩個(gè)原理，你將會(huì)使用很少的元件，得到很好的效果。因?yàn)樵?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(gè)簡(jiǎn)單的理論

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

假定你希望使用一個(gè)具有專(zhuān)門(mén)輸入的數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)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(wàn)用表，你將得到一個(gè)適當(dāng)精度的讀數(shù)，這依賴(lài)于萬(wàn)用表的品質(zhì)。這被稱(chēng)作單端方式，如果你不需要真正的精度的話(huà)，中間沒(méi)有傳輸距離，你只需要一個(gè)讀數(shù)而并不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

如果你希望跨越一定距離采用連線(xiàn)方式**的測(cè)量電容的容值的話(huà)，情形如圖1：

圖1 失效的單端萬(wàn)用表測(cè)量（測(cè)量Cx+Cp）

萬(wàn)用表將會(huì)簡(jiǎn)單的給你一個(gè)數(shù)值Cx+Cp，Cp是連接線(xiàn)的寄生電容。沒(méi)有屏蔽的連接線(xiàn)的天線(xiàn)效應(yīng)將會(huì)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(méi)有簡(jiǎn)單的工作區(qū)。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)快速的方式是使用UTI，使用它的雙端測(cè)量。

3 兩端測(cè)量

如果我們從單端測(cè)量轉(zhuǎn)到兩端測(cè)量，情況就完全改變了。圖2給出了兩端測(cè)量原理是如何工作的。需要澄清的是，我們把UTI畫(huà)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(cè)量Cx）

Cx的左手邊是由電壓源以非常小的輸出阻抗驅(qū)動(dòng)的。這樣的結(jié)果就是Cp1沒(méi)有影響。通過(guò)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(gè)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(cè)量結(jié)果。

因?yàn)檫@里沒(méi)有地信號(hào)，所以實(shí)際的測(cè)量可以用三個(gè)UTI引腳的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3：

圖3  實(shí)際的UTI連接（僅僅測(cè)量Cx）

因?yàn)閁TI的輸入端A是非常敏感的輸入端，連接線(xiàn)應(yīng)該采用屏蔽類(lèi)型，屏蔽層應(yīng)連接到UTI信號(hào)地。

由輸入端A收集的感應(yīng)電荷，控制了激勵(lì)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(gè)完整周期（分割后的）信號(hào)變成了一個(gè)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(cè)量值（8倍）。但是代價(jià)是降低了精度。在慢速模式下，可以得到*大的精度。對(duì)慢速和快速模式來(lái)說(shuō)，a0和a1的值是不同的。

采用圖3的測(cè)量設(shè)定，UTI將會(huì)給你一個(gè)很好的相關(guān)性的關(guān)于電容Cx容值的指示，來(lái)自連接線(xiàn)的寄生電容都被消除了。與Cx有關(guān)的數(shù)字輸出定時(shí)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(gè)代替，這將會(huì)給你一點(diǎn)輕微的數(shù)值變化（就像用了另外一個(gè)萬(wàn)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(gè)問(wèn)題，UTI同樣有**的解決方案，那就是三信號(hào)技術(shù)。

4 三信號(hào)技術(shù)

我們將使用具有一個(gè)已知值的被稱(chēng)作參照電容的**個(gè)電容，通過(guò)**根線(xiàn)連接到輸出端C。圖4給出了連接方式。因?yàn)檫B接線(xiàn)的精度是由UTI掌控的，所以連接線(xiàn)不需要是一樣的。參照電容應(yīng)該緊挨著UTI，這樣就不會(huì)有精度損失。

圖4 三信號(hào)技術(shù)

當(dāng)我們打開(kāi)UTI時(shí)，數(shù)字輸出給了我們?nèi)齻€(gè)時(shí)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(gè)第三個(gè)電容，一個(gè)外部偏置電容Coff，ext。但是此時(shí)有一個(gè)更好的選擇就是讓這個(gè)電容為0。這個(gè)電容不存在，但是此時(shí)仍然有一個(gè)內(nèi)部的引腳與引腳間的電容（Coff，int）。

在接下來(lái)的段落里，我們將會(huì)向你展示我們通過(guò)結(jié)合已知容值電容Cref和處理定時(shí)信息，可以消除偏置和增益錯(cuò)誤，和像溫度漂移等其他的錯(cuò)誤來(lái)源。

5 實(shí)行和一點(diǎn)數(shù)學(xué)

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

圖5 從UTI的數(shù)字輸出

信號(hào)包含三個(gè)狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間分別是Toff，Tref，Tx。**個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，Toff，總是*短的，對(duì)應(yīng)于開(kāi)路輸出端B的值。它給你關(guān)于偏置錯(cuò)誤的信息，總是可以從它是兩個(gè)周期被識(shí)別（兩個(gè)高電平，兩個(gè)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(duì)應(yīng)的周期持續(xù)時(shí)間?？偟墓绞牵?/font>

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(gè)電容，我們得出如下等式：

通過(guò)測(cè)量這三個(gè)狀態(tài)周期Toff，Tref，Tx的持續(xù)時(shí)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(gè)引腳測(cè)量。

下面我們將看到，取得的精度依賴(lài)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(guò)多個(gè)周期取樣獲得和/或以一個(gè)高速率取樣獲得。

由于我們沒(méi)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(gè)等式，1，2，3和三個(gè)未知量（Cx，a0和a1），所以我們能夠解出這個(gè)方程。讓我們計(jì)算

因此，并且

這意味著求Cx的值，可根據(jù)5式計(jì)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(shí)，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(guò)求解1，2，3得出的對(duì)Cx值的估計(jì)，越**越好。如果有人關(guān)心偏置和增益，他們將會(huì)作如下計(jì)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(gè)完整的測(cè)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(cè)量電容，電阻或橋阻時(shí)，只需要一個(gè)很小的處理電源。

通常來(lái)講，分辨率主要依賴(lài)于兩個(gè)不同的噪聲源。一個(gè)時(shí)內(nèi)部UTI熱噪聲，另外一個(gè)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(cè)量狀態(tài)量的量化噪聲標(biāo)準(zhǔn)差是：

這里，ts是取樣時(shí)間，Toff是偏置狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。我們選擇Toff是因?yàn)樗?短狀態(tài)，因此對(duì)結(jié)果的分辨率是一個(gè)保守的估計(jì)。

在圖6中給出的量化噪聲對(duì)應(yīng)于取樣率為1MHz，滿(mǎn)量程是2pF，UTI在慢速模式下。在這個(gè)模式下，對(duì)一個(gè)輸出狀態(tài)，激勵(lì)源頻率（在自由運(yùn)行時(shí)為50KHz）包含有1024個(gè)循環(huán)。Toff總計(jì)為1024*20μs，大概為20ms。公式1得出。因此，在這個(gè)情況下，*好的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)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(méi)有增加取樣率（可以降低量化噪聲線(xiàn)在圖6中），這是因?yàn)闊嵩肼暱偸?重要的因素。因?yàn)檫@個(gè)，實(shí)際上，測(cè)量小電容的*大分辨率是14bit（而不是1.5bit）。

另外一個(gè)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(gè)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(duì)于選擇的量程是合理的情況下。在量程為2pF時(shí)，這意味著Cp不能大于50到100pF。當(dāng)Cp的值增加時(shí)，所有的分辨率都降低。UTI的這個(gè)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(yè)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(gè)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(cè)量和將這些值轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的信號(hào)輸出。微控制器從輸出中取樣并作一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算，這被稱(chēng)作三變量技術(shù)。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以消除類(lèi)似增益和偏置錯(cuò)誤和溫度漂移。過(guò)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(gè)UTI芯片和一個(gè)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(jiǎn)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(gè)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(jì)者的工作會(huì)變得簡(jiǎn)單一點(diǎn)。