CAV444

电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page1/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]基本功能特点电容式信号线性转换成可调的差分电压输出，典型应用CAV444集成的电容电压转换电路，适合于几乎所有电容变化的测量并输出连续电压信号，该电压信号与所测得的电容变化是成线性关系的。液（物）位测量湿度传感器测量材料识别物体检测CAV444输出信号直接送往单片机或独立使用CAV4448mV/KV=5V5%CC±V=2,5OUT1,4V±Meßkapazität(18pFbis2.2nF)TemperaturMesskapazitaet=测量电容Temperatur=温度信号电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page2/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]目录基本功能特点1目录2特点3简介3测量原理4工作原理介绍4信号传递函数(满量程输出信号)5信号传递函数(带有附加的零点调准电路)6输出电压范围7电路参数确定的介绍8电路调试8固定参数的确定9电路参数边界条件10应用10电路方框图和管脚示意图10封装外形10参考资料11电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page3/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]1FGNDVBVTEMPGAINVOUTCM141013635CAV4441211VersorgungTiefpassFilterAusgang-stufe161415CF2f/UWandlerMessOszillatorTemperatur-SensorRCWRCMRA72特点简介*差分比例电压输出*宽的电容检测范围：18pF至2.2nF*测量电容与输出电压是线性关系*输出零点可调*输出满度可调*检测频率范围：15Hz至1.9kHz*测量振荡频率：1kHz至130kHz*内置恒压源：2.5V*内置温度传感器*工作电压：5V±5%*宽的工作温度范围：–40°C...+85°C*校准简单(Excel软件)*符合欧盟RoHS指令电路方框图CAV444是一个可测量多种电容式传感器信号的线性转换比例电压输出的接口集成电路。它同时具有信号采集、处理和差分电压输出的功能，还带有一个内置的温度传感器。电容信号ΔCM=CM,max–CM,min和输出电压是线性关系。输出的差分电压信号是由输出电压与内置的参考恒压源VREF相联系的。差分电压输出可直接联接到A/D转换电路上。模拟电路系统的测量分辨率只与电路本身的噪声有关。可以利用集成电路上的温度传感器和单片机组成一个可数字校准的电路系统。一个Excel-软件可使CAV444.电路系统的校准更加简单。图1：CAV444电路方框图Tsensor=温度传感器Versorgung=电源Mess-Oszillator=测量振荡器f/UWandler=频率电压转换Tiefpass=低通滤波器Ausgangstufe=输出级电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page4/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]测量原理CAV444是一个可测量多种电容式传感器信号的线性转换比例电压输出的接口集成电路。它同时具有信号采集、处理和差分电压输出的功能，还带有一个内置的温度传感器。电容信号ΔCM=CM,max–CM,min和输出电压是线性关系，这里CM,min是电容传感器CM的本底电容，CM,max是电容传感器的最大电容值。工作原理介绍CAV444是这样工作的：测量电容（传感器）作为内置的测量振荡器的电容器，通过对它充放电产生振荡周期，该振荡周期与测量电容大小成线性关系。通过频率/电压转换电路和低通滤波器最后输出一个直流电压信号。经过一个零点和满度可调的输出级得到所希望的电压信号输出值（图2）。输出电压与参考电压VREF（2.5V）之间成为差分电压输出。110635CAV4441211VersorgungTiefpassFilterAusgang-stufe14f/UWandlerMessOszillatorTemperatur-SensorRA7CM41316152VCCVREFCWC1FGNDVBVTEMPGAINVOUTCMCF2RCWRCMRA图2：带有信号处理示意的电路方框图Tsensor=温度传感器Versorgung=电源Mess-Oszillator=测量振荡器f/UWandler=频率电压转换Tiefpass=低通滤波器Ausgangstufe=输出级电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page5/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]信号传递函数(满量程输出信号)CAV444满度输出信号VOUT*的传递函数如下式：REFDIFFOUTVVV**(1)这里的VREF=参考电压（2.5V），TPASLPDIFFVGV*(2)增益系数GLP为：211RRGLP(3)经过低通滤波器后的输出电压VTPAS为：CWWCMCMMTPASRCRVCV83(4)其中VVCM1,2是电路内部由内置电阻定义并且有一个固定电压值2.1V（当VCC＝5V时）。从公式（2）可以知道，信号VTPAS通过集成电路内部的运算放大输出级放大，放大倍数GLP由电阻R1和R2来调准。图3中的电阻RA是f/U频率电压转换电路供电电源调节用的。管脚3（VB）是内置的偏置电路，它必须与工作电源VCC相连。.将公式(3)和(4)代入公式(2)，可以得出公式（1）的满度信号传递函数式子表达：REFCWWCMCMMREFTPASLPREFDIFFOUTVRCRVCRRVVGVVV831**21(5)VCCVREFCWCF1VBR2VOUT141013635CAV4441211VersorgungTiefpassFilterAusgangs-stufe161415CF2f/UWandlerMessOszillatorTemperatur-SensorRCWRA72CMRCMVREFR1CVREFVCCVREFCWC1FGNDVBVTEMPGAINVOUTCMCF2RCWRCMRA图3：CAV444实际工作电路图（满度输出调准）电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page6/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]这里要求：6,1max,MWCC。.CW是f/U频率电压转换电路电容，它的取值与CM有一定相关性。电阻RCM和RCW与充放电流大小有关，通常取固定数值RCM=250kΩ和RCW=500kΩ。从公式（5）可以看出，输出电压VOUT*是测量电容CM的函数VOUT*=f(CM)，并且是线性函数关系。此时其他所有的变量都已设定为固定不变数值了。从图4中看出，输出电压VOUT*被抬高了一个数值VREF。信号传递函数(带有附加的零点调准电路)为了使输出信号可调整，就要考虑传递函数公式（5）中的零点输出的调整。通过一个附加的零点调准电路（见图5），使传递函数公式（5）变换为下式：REFTPASREFDIFFOUTVBVAVVV(6)其中二个调准系数A（满度）和B（零点）由下式表示：))(()()(()((543542521524213521524RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRA(7)B))(()2)2(2()2(54354252514212135421RRRRRRRRRRRRRRRRRRRR(8)VOUTCMCMMinCMMaxVREF2,5VCM图4：对地的输出电压VOUT*电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page7/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]在公式（6）中，电阻R1是调满度的，电阻R3是调零点的，并且在调试时R1和R3是有一定的相关性。它们在校准应用软件Kali_CAV444.xls中可以直接被计算出来。电阻R2,R4和R5都是固定电阻100kΩ。从公式（6）可以看出，输出电压VOUT是测量电容CM的函数VOUT=f(CM)，并且是线性函数关系。此时其他所有的变量都设定为固定不变数值了。输出电压范围输出电压公式为：REFDIFFOUTVVVVOUT(Volt)VOUT,maxVOUT,minVREF+VDIFF-VDIFFVCC12,5450图6：最大的输出电压范围VOUTVCCVREFCWCF1VBR2VOUT141013635CAV4441211VersorgungTiefpassFilterAusgangs-stufe161415CF2f/UWandlerMessOszillatorTemperatur-SensorRCWRA72CMRCMVREFR1VCCGNDR3R4R5CVREFVCCVREFCWC1FGNDVBVTEMPGAINVOUTCMCF2RCWRCMRA图5：零点和满度输出电压可调的完整电路图电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV444上海芸生微电子有限公司上海108－009信箱邮政编码：201108November2008-Rev1.0-Page8/11Telefon:[phone]Telefax:021-33586462网址：–Mail:[e-mail]电路参数确定的介绍电路参数的确定可以通过校准应用软件来确定：Kali_CAV444.xls考虑到CAV444电路测量系统中，除了测量电容CM和频率转换f/U电路的电容CW外，电路参数的确定还受到集成电路和电路环境所产生的寄生电容的影响。因此通过对零点和满度的校准，把所有的寄生电容和电路中的元器件的误差（离散性）都考虑进去，使信号的校准更加简单准确。根据传递函数式子(6)，校准应用软件Kali_CAV444.xls[1]在第一步骤先计算出在测量工作点的一些电路参数。在这个工作点上，测出当测量电容最小和最大时电路的输出