深入剖析AD7745/AD7746：24位电容数字转换器的卓越性能与应用

在电子设计领域，高精度的电容测量和温度传感需求日益增长。Analog Devices的AD7745/AD7746 24位电容数字转换器（CDC）凭借其出色的性能和丰富的功能，成为众多应用场景中的理想选择。本文将对AD7745/AD7746进行全面剖析，深入探讨其特性、应用及电路设计要点。

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一、产品特性

1. 电容转换性能

AD7745/AD7746具有高分辨率和高精度的电容转换能力。分辨率可达4 aF（相当于21 ENOB），精度为4 fF，线性度达到0.01%。其电容输入范围为±4 pF（变化部分），可接受高达17 pF的共模电容（非变化部分），并能通过可编程的片上数字电容转换器（CAPDAC）进行平衡。此外，该转换器对高达60 pF的接地寄生电容具有耐受性，更新速率在10 Hz至90 Hz之间，还能在16 Hz时同时抑制50 Hz和60 Hz的干扰。

2. 温度传感功能

片上集成了温度传感器，分辨率为0.1°C，精度为±2°C。这使得在需要同时测量电容和温度的应用中，无需额外的温度传感器，简化了电路设计。

3. 其他特性

具备电压输入通道、内部时钟振荡器和2线串行接口（与 (I^{2} C) 兼容）。支持2.7 V至5.25 V的单电源供电，电流消耗仅为0.7 mA，工作温度范围为–40°C至+125°C，采用16引脚TSSOP封装，体积小巧，适合多种应用场景。

二、应用领域

AD7745/AD7746广泛应用于汽车、工业和医疗系统，具体包括压力测量、位置传感、液位传感、流量计、湿度传感和杂质检测等领域。其高精度和稳定性能够满足这些应用对测量精度和可靠性的要求。

三、功能模块与电路设计

1. 电容数字转换器（CDC）

AD7745/AD7746的核心是一个高精度的转换器，由二阶（Σ - Δ或电荷平衡）调制器和三阶数字滤波器组成。测量电容 (C{x}) 连接在激励源和Σ - Δ调制器输入之间，激励信号在转换过程中施加在 (C{x}) 上，调制器连续采样通过 (C_{x}) 的电荷，数字滤波器处理调制器输出，最终结果可通过串行接口读取。

2. 激励源

两个激励引脚EXCA和EXCB可独立编程，功能相同，可用于电容传感器的激励。对于双通道的AD7746，建议为每个电容通道使用单独的激励引脚。

3. CAPDAC

片上的CAPDAC可用于平衡输入电容的共模或偏移（非变化部分）。它可以看作是内部连接到CIN引脚的负电容，有两个独立的CAPDAC，分别连接到CIN(+)和CIN(–)。通过调整CAPDAC的值，可以扩展电容测量范围，提高测量精度。

4. 温度传感器

内部温度传感器采用测量晶体管在不同电流下的∆VBE电压差的方法来测量温度，输出代码与温度成正比。同时，该器件还支持使用外部晶体管作为温度传感器，可补偿连接到传感器的串行电阻，总串行电阻可达100 Ω。

5. 电压输入与 (V_{DD}) 监测

AD7745/AD7746的Σ - Δ核心可作为高分辨率的经典ADC，具有全差分电压输入。可使用片上高精度、低漂移的1.17 V电压参考或外部参考，输入源阻抗应保持较低。此外，该器件还可用于监测 (V{DD}) 电压，内部对 (V{DD}) 引脚的电压进行6倍衰减。

四、串行接口与寄存器操作

1. 串行接口

支持与 (I^{2} C) 兼容的2线串行接口，通过SCL（时钟）和SDA（数据）两根线进行通信。主设备通过发送起始条件和8位起始字节（包含7位地址和R/W位）来控制AD7745/AD7746。根据R/W位的不同，可进行读或写操作。

2. 寄存器操作

主设备可以对AD7745/AD7746的所有寄存器进行读写操作（地址指针寄存器为只写寄存器）。通过设置地址指针寄存器，可以选择要访问的寄存器。不同的寄存器用于存储状态信息、电容和电压/温度数据、设置参数以及校准系数等。

五、注意事项与性能优化

1. 寄生参数影响

实际应用中，寄生电容、电阻等参数会影响测量结果。例如，接地寄生电容、接地寄生电阻、寄生并联电阻和寄生串联电阻都会引入增益误差、偏移误差和非线性误差。因此，在设计电路时，需要注意这些参数的影响，并采取相应的措施进行补偿。

2. 校准操作

为了提高测量精度，需要进行电容增益校准和电容系统偏移校准。电容增益校准在生产时已对每个器件进行了全量程±4.096 pF的工厂校准，也可以通过外部满量程电容或用户写入值进行临时更改。电容系统偏移校准需要用户在应用中进行，可通过连接零刻度电容或计算写入偏移校准寄存器值的方法进行。

3. 数据读取与防丢失

在读取电容数据寄存器（CAP DATA REGISTER）和电压/温度数据寄存器（VT DATA REGISTER）时，为了防止数据丢失和损坏，应使用串行接口的寄存器地址指针自动递增功能顺序读取三个字节的数据，并在下次转换完成前完成读取操作。

六、总结

AD7745/AD7746作为一款高性能的24位电容数字转换器，具有高分辨率、高精度、丰富的功能和广泛的应用领域。在实际设计中，电子工程师需要深入了解其特性和电路设计要点，合理选择参数，进行校准操作，以充分发挥其性能优势。同时，注意寄生参数的影响和数据读取的正确性，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用AD7745/AD7746的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。