隨著物聯網的廣泛應用，各種傳感器技術風升水起，電容傳感器就是其中之一。電容式傳感器利用電容器的原理，以各種類型的電容器作為傳感原件，將被測物理量的變化轉換為電容量的變化。通過相應的外接檢測電路可將這種電容的變化轉換成電壓、數字、頻率等便于測量的電信號變化，根據輸出電信號的變化來獲得被測物的信息。

電容式傳感器一般分為三種：變極距式、變面積式和變介質式。電容式傳感器具有結構簡單、測量范圍大、體積小、靈敏度高、動態響應快、適應性強、低成本、低功耗等諸多優越性得到廣泛應用，已經被應用于精密機械加工、角度測量、微加速度測量、壓力檢測、位置檢測、雜質檢測、濕度檢測和液位測量等方面。

檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。傳統的電容檢測電路多由分立元件實現，其主要的技術要求有實時性能好、能夠抗雜散電容、能測量較大動態范圍、有較好的測量線性度和低漂移等。諸如基于充/放電原理、AC 電橋原理、交流鎖相放大原理、電荷放大原理等各種電容測量電路被研究。這些傳統的電容測量電路，或者方法簡單，達不到高的精度要求，或者電路復雜，需要的器件數量多。而且如果需要數字輸出必須再用一個高精度 ADC 把該電壓轉換成數字信號，這樣電路設計復雜、仿真評估冗長、系統測試困難。ADI 公司將先進的信號處理技術和高集成度制造工藝相結合，從而以單芯片實現了以前需要大量分立元件和傳統模擬數字轉換器才能達到的精度水平，并且相比傳統的多芯片解決方案，大大降低了成本和功耗，從而解決了從電容到數字直接轉換的復雜性而困難的信號處理問題，非常適用于工業、醫療儀器以及自動控制傳感器。ADI 公司推出了世界上首款高精度、完全集成的電容數字轉換器（CDC），它在一顆芯片上集成了電容到數字轉換的所有電路，分辨率達到aF量級，大大降低了設計難度和外部元件成本，從而根除了傳統電容傳感器的限制，解決了從電容到數字直接轉換的復雜的信號處理難題。

專用集成電容檢測芯片相對于傳統的分立元件的優勢在于整體系統結構簡單，抗干擾能力強，精度高而逐漸取代傳統檢測電路。目前應用較多的集成檢測電路主要有兩類：

1、C/V轉換集成芯片，常用的芯片有美國Micro Sensors公司生產的MS3110，瑞士XEMICS公司生產的XE2004，其特點是可編程且低功耗，以及德國AMG公司生產的CAV424 系列其特點是高精度，但速度較慢。

2、CDC（Capacitance to Digital Converter）電容數字轉換芯片，該芯片是基于 CDC技術的新型電容數字量轉換芯片。這種芯片的特點是高精度，高分辨率，寬輸入范圍。主要有美國AD公司生產的 AD7745、AD7746、AD7747 及AD7142 系列。（注：CDC技術原理是通過Σ-Δ的技術，用高精度的AD轉換器，轉換切換片上固定的電容，得出被測電容與參考電容的比值，再通過積分運算使得電路具有較強的噪聲抑制能力、同時保持精度不降低，但成本卻大幅下降，具有較廣泛的實用性。）

這里主要推薦AD7746。AD7746是電容/數字轉換器（CDC），包含一個24位Σ-Δ調制器、多路復用器、激勵源發生器、精密電壓源、時鐘發生器、數字濾波器、I2C串行通信接口、片內校正控制寄存器、溫度傳感器等。

1、 AD7746 的基本工作原理

AD7746利用開關電容技術構建電荷平衡電路來測量電容。被測電容Cx連接在EXCA/EXCB（CDC方波激勵輸出）和CIN+（Σ-Δ調制器輸入）之間，在一個轉換周期內，當一個方波激勵信號加于被測電容Cx上，24位Σ-Δ調制器連續采樣經過Cx的電荷，后經數字濾波器處理和校正，最后通過I2C接口將數據讀出。

2、 AD7746的性能

AD7746是高分辨率電容數字轉換器，可直接與電容傳感器的電容連接進行測量。該芯片還具有高分辨率（24位無失真碼、最高21位有效分辨率）、高線性度（±0.01%）和高精度（±4fF工廠校準）等固有特性。AD7746的電容輸入范圍是±4pF (可變），同時可接受最大17pF共模電容（不可變），后者可以通過一個可編程片內數字電容轉換器（CAPDAC）來平衡。

AD7746 有兩個電容傳感器輸入通道，每個通道都可以配置為單端或差分輸入，可靈活應用于電容傳感器。芯片內部有一個片上溫度傳感器，分辨率為0.1°C，精度為±2°C。片上集成低噪聲、低漂移精密基準電壓源和時鐘發生器，無需任何外部元件即可應用于電容傳感器。片上集成多路復用器（MUX），校準寄存器和電容式傳感的激勵源。兩路電容輸入、兩路電壓輸入和內部的溫度傳感器通過多路復用器共用一個Σ-Δ調制器。兩路激勵電壓EXCA、EXCB的幅度和相位可以通過內部寄存器設置。通過I2C接口可以實現CDC內部寄存器的配置及內部轉換結果的讀取。軟件設置芯片的輸出數據更新頻率為 10 Hz ~ 90 Hz。當以16Hz輸出更新頻率工作時，可以同時抑制50Hz和60Hz的信號。

該芯片具有一個標準的電壓輸入，連同差分基準電壓輸入，允許簡單接口的外部溫度傳感器，如RTD，熱敏電阻器，或二極管。芯片內置I2C串行通訊接口，單電源供電，供電電壓為2.7V~5.25V，消耗電流不大于850uA，適合低功耗應用。封裝采用TSSOP16，適合要求小尺寸的應用。工作環境溫度范圍為-40 °C ~+125 °C，有較強的適應性和抗干擾能力。

AD7746 內部共有19個8位寄存器。前7個為只讀型：第1個為轉換狀態寄存器，后面6個用于存放電容和溫度/電壓的轉換值；后12個寄存器的功能依次是：電容設置、溫度/電壓設置、激勵源EXC 設置、轉換/更新速率配置、電容偏移量設置、電容偏置校準以及電容/電壓增益校準。每一個寄存器都有自己特定的地址，如果想對某可寫寄存器進行參數修改，只需根據它的地址進行寫操作，將待修改的數值寫進去即可。通過對電容設置寄存器進行配置，可以有效確定電容的工作通道和工作模式。電容設置寄存器默認值為0x00，將CIN1置1，可以啟動電容第2通道，為0時，只能使用第1通道。工作模式主要有單端輸入模式和差分輸入模式，模式的切換主要是通過I2C設置電容設置寄存器中CAPDIFF的值來實現，如果外接電容工作于差分模式，CAPDIFF必須置為1，單端輸入模式下工作，CAPDIFF=0。如果CAPCHOP=1， 可以使電容通道的轉換時間變為原來的兩倍，但通道噪聲會相應提高。AD7746 內部具有可編程的偏移量設置寄存器，偏移量為-1pF～1pF，分辨率32aF。CAPDAC寄存器可用來補償傳感器元件的大電容，滿量程最小值為17pF，典型值為21pF，需要注意，對于給定的CAPDAC寄存器設置，電容可能會因傳感器的不同而有很大的差別。從電容、溫度/電壓寄存器讀出的數字代碼與電容、溫度/電壓都具有一定的關系，二者可進行換算。

3、 AD7746的特點

1）具有高精度高集成度的特點。其特性滿足對微小電容的檢測要求?？梢灾苯雍腿菪詡鞲衅飨噙B，測量電容時不再需要外部相關電路，被測電容直接連在芯片引腳上，完成電容/數字量轉換。

2）能夠抑制雜散電容。其中，電容輸入端CIN 可以接受的最大對地電容為 60pF，激勵端EXC可承受的對地電容高達100pF。若雜散電容值超過允許的輸入范圍，將會給電容測量帶來一定的誤差。

3）通過設置CAPDAC模塊，可以實現耦合電容的軟件補償功能。通過實驗標定的耦合電容值，在測量過程中，針對不同的極板對，選擇相應補償值，使得到的的測量結果更為準確，保證測量精度。

4）自帶數字濾波器，通過控制寄存器實現編程，允許調整濾波器的截止頻率和輸出更新速率，可以更好的獲得電容測量數據。

5）具有理想的I2C串行接口，可實現與微控制器或 DSP 處理器的直接連接，接線的數量減少。

6）通過輸入電容擴展電路和軟件編程，可改變此轉換器的輸入量程范圍，目前能到150pF±50pF見應用文檔（CN0129）。（這一點很重要。我剛開始看到該芯片的datasheet時，發現基電容和可變電容范圍不滿足項目要求，用不了。

7）適用于小體積和低功耗應用。廣泛應用于汽車、工業、醫療設備上的壓力測量和位置探測，還可應用于流量、液面、濕度和不純度檢測等方面。

審核編輯：郭婷