AD7152/AD7153：12位电容数字转换器的技术剖析

在电子设计领域，电容测量是一项关键技术，广泛应用于汽车、工业和医疗等多个系统中。AD7152/AD7153作为12位sigma - delta（Σ - Δ）电容数字转换器（CDC），为电容测量提供了高精度和高线性度的解决方案。下面，我们就来深入了解这款转换器的特性、工作原理和应用要点。

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一、AD7152/AD7153的特性亮点

1. 高分辨率与线性度

AD7152/AD7153能够实现低至0.25 fF的分辨率，相当于最高12位的有效分辨率（ENOB），线性度可达0.05%。这使得它在对精度要求极高的应用场景中表现出色，能够准确地将电容值转换为数字信号。

2. 多范围选择

每个操作模式下有四个电容输入范围可供选择。在差分模式下，范围为±0.25 pF至±2 pF；在单端模式下，范围为0.5 pF至4 pF。这种灵活性使得它能够适应不同的电容测量需求。

3. 抗干扰能力

该转换器能够容忍高达5 pF的共模电容（不变化），并且对高达50 pF的接地寄生电容具有一定的耐受性。此外，它还具有良好的电源抑制比和正常模式抑制能力，能够有效减少外界干扰对测量结果的影响。

4. 低功耗设计

采用2.7 V至3.6 V的单电源供电，电流消耗仅为100 μA，在低功耗应用中具有明显优势。同时，它还支持电源掉电模式，进一步降低功耗。

5. 接口简单

具备2线串行接口（I2C兼容），方便与其他设备进行通信和数据传输。

二、功能模块与工作原理

1. 功能模块

AD7152/AD7153的核心是一个由二阶调制器（Σ - Δ或电荷平衡）和三阶数字滤波器组成的精密转换器。此外，还集成了多路复用器、激励源、用于电容输入的CAPDAC、电压基准、完整的时钟发生器、控制和校准逻辑以及I2C兼容的串行接口。AD7153有一个电容输入通道，而AD7152有两个通道，每个通道都可以配置为单端或差分模式。

2. 工作原理

电容测量时，将待测电容 (C{x}) 连接在激励源和转换器输入之间。在转换过程中，激励信号施加在 (C{x}) 上，调制器持续采样通过 (C_{x}) 的电荷。数字滤波器对调制器输出的0和1数据流进行处理，根据0和1的密度提取信息。最后，经过校准系数的缩放，通过串行接口读取最终的转换结果。

三、寄存器配置与操作

1. 寄存器概述

AD7152/AD7153的寄存器包括状态寄存器、数据寄存器、偏移校准寄存器、增益校准寄存器、CAP设置寄存器、配置寄存器、CAPDAC POS寄存器、CAPDAC NEG寄存器和Configuration2寄存器等。除地址指针寄存器为只写寄存器外，其他寄存器均可读写。

2. 读写操作

• 写操作：当选择写操作时，起始字节后的字节为寄存器地址指针字节，指向AD7152/AD7153的内部寄存器之一。地址指针字节自动加载到地址指针寄存器并得到设备的确认。之后可以是停止条件、重复起始条件或另一个数据字节。
• 读操作：当选择读操作时，当前由地址指针指向的寄存器内容被传输到SDA线上。主设备时钟输出数据，AD7152/AD7153等待主设备的确认。如果收到确认，地址自动递增器会自动递增地址指针寄存器，并输出下一个寄存器的内容；如果未收到确认，设备返回空闲状态，地址指针不递增。

四、应用注意事项

1. 寄生参数影响

• 寄生电容：虽然AD7152/AD7153对一定的接地寄生电容具有耐受性，但过大的寄生电容仍会影响测量结果。在设计电路时，应尽量减少接地寄生电容的影响。
• 寄生电阻：寄生电阻（包括接地寄生电阻、并联寄生电阻和串联寄生电阻）会导致增益误差、偏移误差和非线性误差。因此，要确保 (C_{x}) 与地之间的良好隔离，同时控制总串联电阻小于20 kΩ。

  2. 校准操作

• 增益校准：AD7152/AD7153的增益在生产时针对4 pF的满量程进行了工厂校准，校准系数存储在一次性可编程（OTP）存储器中。用户可以通过执行电容增益校准模式或写入用户值来改变增益，但这种改变是临时的，上电或复位后会重新加载工厂校准系数。
• 系统偏移校准：由于电容偏移主要受应用中的寄生偏移影响，AD7152/AD7153未进行工厂电容偏移校准。用户需要在应用中进行系统电容偏移校准，确保要去除的偏移在满量程范围的40%以内。

  3. EMC保护与电源滤波

• EMC保护：某些应用可能需要额外的输入滤波器来提高电磁兼容性（EMC）。设计输入滤波器时，要平衡系统电容性能和电磁抗干扰能力。
• 电源滤波：AD7152/AD7153对高频纹波和噪声较为敏感，特别是在激励频率及其谐波附近。可以采用合适的电源去耦和滤波电路来提高系统对电源耦合纹波和噪声的抗干扰能力。

五、总结

AD7152/AD7153以其高分辨率、高线性度、多范围选择和低功耗等特性，为电容测量提供了出色的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要充分了解其工作原理和寄存器配置，注意寄生参数的影响，并进行合理的校准和滤波设计，以确保测量结果的准确性和稳定性。你在使用AD7152/AD7153的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。