1 引言
AD7745是AD公司生产的具有高的分辨率、低功耗的电容数字转换器。该芯片性能稳定，操作方便，可以和多种电容传感器一起开发各种实际产品。AD7745的主要特点如下：
(1)电容数字转换器
具有单端电容探测器或者差分式电容探测器接口；
分辨率：4 aF；精确度：4 fF；线性度：0.01％；
在普通模式下，电容高达17 pF；
可测量电容范围：-4～4 pF；
可容忍高达60 pF的寄生电容；
更新频率：10～60 Hz。
(2)片上温度传感器
分辨率：0.1℃；精确度：±2℃；
电压输入通道；
内部时钟振荡器；
两线串行接口(I2C兼容)。
(3)电源
2.7～5.25 V单电源供电。
2工作原理及引脚功能
2.1 工作原理
AD7745的核心是一个高精度的转换器，由1个二阶调制器和1个三阶数字滤波器构成。AD7745可以配置成一个电容数字转换器(CDC)，也可以配置成一个经典的模数转换器(ADC)。除了转换器外，AD7745集成了一个多路复用器、一个激励源和电容数模转换器(CAP-DAC)作为电容的输入、一个温度传感器、一个时钟发生器、一个控制校正逻辑、I2C接口。AD7745的功能框图如图1所示。下面对图中的主要部分进行功能说明。
(1)∑-△调制器
∑-△调制器是AD7745的核心，它是将模拟信号转换成数字信号的器件，其工作原理是：被测的电容Cx被连接在CDC激励输出(EXCA或者EXCB)与∑-△调制器输入(VIN(+))之间，在1个转换周期，一个方波激励信号(从EXCA或者EXCB输出)被加到CX，∑-△调制器连续采样经过CX的电荷。数字滤波器处理∑-△调制器的输出，数据经过数字滤波器输出，经过校正，由I2C串行接口将数据读出。
(2)电容数模转换器(CAPDAC)
电容数模转换器(CAPDAC)可以被理解成一个负电容直接内部连接到CIN引脚。在AD77415中有2个CAPDAC，一个连接到CIN1(+)，另一个连接到CIN1(一)，如图2所示。输入电容CX，CY(差分模式下)与输出数据(DATA)之间的关系如下：
电容数模转换器可以用来编程被测电容的输入范围，通过设置CAPDAC(+)和CAPDAC(一)的值，可以改变被测电容的范围，比如在单端模式下，将CAP-DAC设置成温度传感器±4 pF，被测电容的变化范围成了0～8 pF。
(3)温度传感器
AD7745使用1个片上晶体管测量芯片内部的温度，芯片的温度变换将影响到晶体管的电压△VBE，∑-△调制器将△VBE转变成数字信号，最终的输出线性于温度的变化。由于AD7745的功耗很低，因此它自身产生的热量很少(在VDD=5 V时，小于0.5℃)，被测电容探测器的温度可以认为和AD7745的温度相同，因此AD7745内部的温度传感器可以用做系统的传感器。也就是说，整个系统的温漂补偿可以基于片内的温度传感器，而不需要片外器件。
(4)I2C串行接口
AC7745支持I2C兼容2线串行接口，I2C总线上的2根线是SCL(时钟)和SDA(数据)，所有的地址、控制和数据信息都通过这2根线进行传输。
2.2 引脚功能
AD7745的引脚分布如图3所示可知。各引脚功能描述如下：
SCL：I2C串行时钟输入；
RDY：逻辑输出。当该引脚信号的下降沿到来时，表示在已经使能的通道转换已经完成，同时新的数据已经到达该通道；
EXCA，EXCB：CDC激励输出。被测电容接在EXC引脚和CIN引脚之间；
REFIN(+)，REFIN(-)：差分参考电压输入；
CIN1(-)：在差分模式下，CDC的负电容输入；在单端模式下，该引脚内部断开；
CIN1(+)：在差分模式下，CDC的正电容输入；在单端模式下，CDC的电容输入；
NC：空管脚；
VIN(+)，VIN(-)：ADC的差分电压输入。此引脚同时连接外部温度探测二极管；
GND：接地端；
VDD：电源端；2.7～5.25 V单电源供电；
SDA：双向I2C串行数据线。
3 AD7745的工作模式
3.1 差分模式
当被测电容传感器是差分式电容传感器，其连接方法如图2所示，差分电容探测器的正电容输入连接到CIN1(+)，负电容输入连接到CIN1(-)。通过I2C接口将AD7745中的电容设置寄存器(Cap Setup register)中的CAPDIF位设置成1。
3.2 单端模式
当被测电容传感器是是单端电容传感器，其连接方法如图4所示。可以通过设定CAPDAC(+)的值调整被测的电容传感器的输出范围。
4具体应用
电容传感器的种类很多，总体可以分为改变极板之距离的极距型传感器；改变极板遮盖面积的面积型传感器；改变电介质之介电常数的介质型传感器。
本应用使用根据极板间介质的介电常数随湿度而改变的差分式电容传感器，将差分式电容传感器的正负电容输出分别接到AD7745的CINI(+)和CIN1(-)引脚。然后将AD7745接到3 V／5 V电压上，将AD7745的输出通过I2C总线接到主机控制器，SCL和SDA要接10 kΩ的上拉电阻。主机控制器选择P89C668，因为该MCU具有I2C接口和UART串口(见图5)。
本系统将电容传感器放置在需要探测的环境中，在PC即显示该环境的湿度，软件流程图如图6所示。
5结 语
由于AD7745功能稳定，操作简单，可以于多种电容传感器使用，可以用于压力探测，电压探测、杂质探测等方面的应用和开发。
作者：郭 强，谢 康，姜海明，王 浩
(电子科技大学 光电信息学院 四川 成都 610054)
