电容数字转换芯片在液位计上的精准测量

1．引  言

液位检测在许多控制领域已较为普遍，用于其上液位检测传感器类型越来越广泛，比如电容式液位传感器（如图1）：通过一个电容式传感器检测电容值，根据电容确定液位。传统的测量方式有其无法克服的局限性，主要表现在复杂的模拟电路设计、难以扩展的电容测量范围等等，这都会给开发带来不小的困难。针对上述问题，AMS提出的PICOCAP测量原理则给电容测量带来了革命性的突破：内部带有DSP 单片机的单芯片电容测量方案PCAP01, 能使电容测量提高到一个更高的水平，从而使得电容式液位传感器测量也越来越方便和精准。

                                       

                图1：电容液位传感器                                                 图2：PCAP01液位计应用

2．PICOCAP 测量原理介绍

 

图3：PICOCAP 测量原理原理

PICOCAP 测量原理展示了对于电容测量的新的革命性的方式。在这个原理中，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，组成了一个Low-pass 低通滤波。电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电。而放电到一个可控制阚值电压的水平将会被芯片内部的非常高精度时间数字转换器TDC 所记录下来。这个测量过程将会在传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻。计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关。传感器和参考电容数值的选择应该为统一范围来降低增益偏移。实践角度讲，对于被测电容没有大小的限制。传感器几乎可以从零fF 到几十nF。PICOCAP 同时也支持差动电容传感器的测量带有内部的线性补偿。

3．PCAP01 产品特点

Pcap01 芯片为一颗单芯片电容测量方案，其特性表现在：

• 一颗芯片可以适合多种应用，测量灵活性非常高:

a) 低测量功耗，在10Hz 最低仅2 μA

b) 测量精度最高达22 位有效位, 4 aF rms 精度

c) 测量频率可以最高达500 kHz

• 非常宽的电容测量范围, 从几fF 到上百nF

• 超低增益和offset 漂移

• 18 位高分辨率温度测量

• 48-位DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

• 内部或者外部时钟振荡

• 最多可以支持6 个IO 口

• IIC, SPI, PWM, PDM 接口

• 宽的电源电压范围从2.1 V 到3.6 V

4．传感器连接的方式

    电容传感器的测量，Pcap01 芯片提供了非常灵活的连接方式，相对典型的连接方式如下所示：

 

图4：传感器连接方式

   如图4所示，在该芯片中用户可以自己选择是用内部集成的放电电阻进行电容的测量，还是外接放电电阻来进行测量，连接的方式如下图所示：

 

图5：放电电阻选择

5．芯片硬件设计

图6为一个典型的Pcap01 硬件设计方案，适合于普通的电容式传感器（传感器未在图中标出）。该方案的输出方式为SPI 串行通信，支持选择带有外部温度传感器温度测量，同时也可使用内部集成温度测量电阻。总的来说，整体电路设计非常简单，所需元器件数量非常少，极大地降低了整个系统的开发难度。

 

图6：PCap01AD硬件电路

6．结束语

综上所述，Pcap01 芯片将会使液位测量更加简单方便，并且液位测量性能也更加优越和可靠。突破的单芯片电路以及自由选择的带有不同补偿方式的固件如线性补偿以及温度线性补偿方式，不仅提升了电路测量的水平，还能进一步提高电容式液位传感器本身的测量性能。