深入剖析AD7745/AD7746：24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，高精度的電容測量和溫度傳感需求日益增長。Analog Devices的AD7745/AD7746 24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場景中的理想選擇。本文將對AD7745/AD7746進行全面剖析，深入探討其特性、應(yīng)用及電路設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品特性

1. 電容轉(zhuǎn)換性能

AD7745/AD7746具有高分辨率和高精度的電容轉(zhuǎn)換能力。分辨率可達4 aF（相當(dāng)于21 ENOB），精度為4 fF，線性度達到0.01%。其電容輸入范圍為±4 pF（變化部分），可接受高達17 pF的共模電容（非變化部分），并能通過可編程的片上數(shù)字電容轉(zhuǎn)換器（CAPDAC）進行平衡。此外，該轉(zhuǎn)換器對高達60 pF的接地寄生電容具有耐受性，更新速率在10 Hz至90 Hz之間，還能在16 Hz時同時抑制50 Hz和60 Hz的干擾。

2. 溫度傳感功能

片上集成了溫度傳感器，分辨率為0.1°C，精度為±2°C。這使得在需要同時測量電容和溫度的應(yīng)用中，無需額外的溫度傳感器，簡化了電路設(shè)計。

3. 其他特性

具備電壓輸入通道、內(nèi)部時鐘振蕩器和2線串行接口（與 (I^{2} C) 兼容）。支持2.7 V至5.25 V的單電源供電，電流消耗僅為0.7 mA，工作溫度范圍為–40°C至+125°C，采用16引腳TSSOP封裝，體積小巧，適合多種應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

AD7745/AD7746廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)，具體包括壓力測量、位置傳感、液位傳感、流量計、濕度傳感和雜質(zhì)檢測等領(lǐng)域。其高精度和穩(wěn)定性能夠滿足這些應(yīng)用對測量精度和可靠性的要求。

三、功能模塊與電路設(shè)計

1. 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）

AD7745/AD7746的核心是一個高精度的轉(zhuǎn)換器，由二階（Σ - Δ或電荷平衡）調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器組成。測量電容 (C{x}) 連接在激勵源和Σ - Δ調(diào)制器輸入之間，激勵信號在轉(zhuǎn)換過程中施加在 (C{x}) 上，調(diào)制器連續(xù)采樣通過 (C_{x}) 的電荷，數(shù)字濾波器處理調(diào)制器輸出，最終結(jié)果可通過串行接口讀取。

2. 激勵源

兩個激勵引腳EXCA和EXCB可獨立編程，功能相同，可用于電容傳感器的激勵。對于雙通道的AD7746，建議為每個電容通道使用單獨的激勵引腳。

3. CAPDAC

片上的CAPDAC可用于平衡輸入電容的共?；蚱疲ǚ亲兓糠郑?。它可以看作是內(nèi)部連接到CIN引腳的負電容，有兩個獨立的CAPDAC，分別連接到CIN(+)和CIN(–)。通過調(diào)整CAPDAC的值，可以擴展電容測量范圍，提高測量精度。

4. 溫度傳感器

內(nèi)部溫度傳感器采用測量晶體管在不同電流下的?VBE電壓差的方法來測量溫度，輸出代碼與溫度成正比。同時，該器件還支持使用外部晶體管作為溫度傳感器，可補償連接到傳感器的串行電阻，總串行電阻可達100 Ω。

5. 電壓輸入與 (V_{DD}) 監(jiān)測

AD7745/AD7746的Σ - Δ核心可作為高分辨率的經(jīng)典ADC，具有全差分電壓輸入?？墒褂闷细呔?、低漂移的1.17 V電壓參考或外部參考，輸入源阻抗應(yīng)保持較低。此外，該器件還可用于監(jiān)測 (V{DD}) 電壓，內(nèi)部對 (V{DD}) 引腳的電壓進行6倍衰減。

四、串行接口與寄存器操作

1. 串行接口

支持與 (I^{2} C) 兼容的2線串行接口，通過SCL（時鐘）和SDA（數(shù)據(jù)）兩根線進行通信。主設(shè)備通過發(fā)送起始條件和8位起始字節(jié)（包含7位地址和R/W位）來控制AD7745/AD7746。根據(jù)R/W位的不同，可進行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

2. 寄存器操作

主設(shè)備可以對AD7745/AD7746的所有寄存器進行讀寫操作（地址指針寄存器為只寫寄存器）。通過設(shè)置地址指針寄存器，可以選擇要訪問的寄存器。不同的寄存器用于存儲狀態(tài)信息、電容和電壓/溫度數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)以及校準系數(shù)等。

五、注意事項與性能優(yōu)化

1. 寄生參數(shù)影響

實際應(yīng)用中，寄生電容、電阻等參數(shù)會影響測量結(jié)果。例如，接地寄生電容、接地寄生電阻、寄生并聯(lián)電阻和寄生串聯(lián)電阻都會引入增益誤差、偏移誤差和非線性誤差。因此，在設(shè)計電路時，需要注意這些參數(shù)的影響，并采取相應(yīng)的措施進行補償。

2. 校準操作

為了提高測量精度，需要進行電容增益校準和電容系統(tǒng)偏移校準。電容增益校準在生產(chǎn)時已對每個器件進行了全量程±4.096 pF的工廠校準，也可以通過外部滿量程電容或用戶寫入值進行臨時更改。電容系統(tǒng)偏移校準需要用戶在應(yīng)用中進行，可通過連接零刻度電容或計算寫入偏移校準寄存器值的方法進行。

3. 數(shù)據(jù)讀取與防丟失

在讀取電容數(shù)據(jù)寄存器（CAP DATA REGISTER）和電壓/溫度數(shù)據(jù)寄存器（VT DATA REGISTER）時，為了防止數(shù)據(jù)丟失和損壞，應(yīng)使用串行接口的寄存器地址指針自動遞增功能順序讀取三個字節(jié)的數(shù)據(jù)，并在下次轉(zhuǎn)換完成前完成讀取操作。

六、總結(jié)

AD7745/AD7746作為一款高性能的24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有高分辨率、高精度、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在實際設(shè)計中，電子工程師需要深入了解其特性和電路設(shè)計要點，合理選擇參數(shù)，進行校準操作，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，注意寄生參數(shù)的影響和數(shù)據(jù)讀取的正確性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用AD7745/AD7746的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。