通过长传输线连接微控制器**测量小电容（和其他）传感信号

1  介绍

在工业应用中从模拟向数字电路转变的运动已经进行了有几年了，但是还远远没有完成…

十多年前，在这场变革刚刚开始的时候，一家位于Breda的荷兰公司Smartec预见到智能传感器的需求并且研制了一个可以被微控制器输入直接采样的，具有模拟/数字输出的高精度温度传感器。由于创立了一个输出信号的智能方式，分辨率（0.005K）仅由基础物理和控制器的取样速度限制。

这个信息是非常重要的，因为它是更重要的下一步研发的基础。Smartec认识到在这些年，电子电路有经验的设计者必须非常熟悉哪些知名的模拟传感器，例如PT100,PT1000,电容元件，桥阻等。因此，Smartec开始研发一个接口，它可以直接连接这样的模拟传感器和微控制器输入。一个像这样的接口将会与设计者长期的经验结合，在处理数位数据方面带来极大方便。

设计上的局限通常是：

1 单芯片接口测量电阻，电容，桥阻.

2 高精度和高分辨率（13～14bits）.

3 远距离测量（3线或4线测量）。

4 精度依赖于处理器的时钟精度，没有外部的晶振。

5 对偏置和增益的持续自校正。

6 没有温度漂移

7 没有长期漂移

8 抑制50/60Hz的信号

9 对多个传感器的简单的多路技术

10 单电源供电和低功率消耗

这个接口是同代夫特科技大学合作开发，结果就诞生了UTI（通用传感器接口）。

下面的文章将会详细解释UTI的功能。我们将向你展示，你将如何在几米的距离之外，测量2pF之内的未知电容值，精度达到13bits，而分辨率达到14bits。这意味着分辨率小于0.0002pF。一旦设计者完全理解了怎样实现这些，他将会简单的使用UTI的其它15种模式的操作。像同时测量三个未知电容，PT元件，电阻，阻桥等。在这篇文章的*后，你会找到这16种模式的一个列表。

UTI是结合了两种原理开发出来的：

1 四线测量技术（为了克服阻抗问题，像寄生电容）

2 三信号技术，目的是

A． 克服偏置和增益错误，温度漂移等。（自校正）

B． 独立于处理器的时钟稳定性

如果你使用UTI，当同时应用这两个原理，你将会使用很少的元件，得到很好的效果。因为原理2是由微控制器程序执行的，硬件由软件替代，这有助于降低你的产品成本。

2  一个简单的理论

没有专注于电子学领域，希望**的测量电容的容值不是件很容易的事。

假定你希望使用一个具有专门输入的数字万用表来测量电容Cx的容值。如果你将有越短越好引脚的电容直接插入万用表，你将得到一个适当精度的读数，这依赖于万用表的品质。这被称作单端方式，如果你不需要真正的精度的话，中间没有传输距离，你只需要一个读数而并不需要对数据进行处理。

如果你希望跨越一定距离采用连线方式**的测量电容的容值的话，情形如图1：

图1 失效的单端万用表测量（测量Cx+Cp）

万用表将会简单的给你一个数值Cx+Cp，Cp是连接线的寄生电容。没有屏蔽的连接线的天线效应将会使事情更加糟糕。就像你看到的一样，在这种情况下，单端方式失效了，这里没有简单的工作区。解决这个问题的一个快速的方式是使用UTI，使用它的双端测量。

3 两端测量

如果我们从单端测量转到两端测量，情况就完全改变了。图2给出了两端测量原理是如何工作的。需要澄清的是，我们把UTI画成两部分，输出在一边，输入在另一边。

图2 UTI两端方式（仅仅测量Cx）

Cx的左手边是由电压源以非常小的输出阻抗驱动的。这样的结果就是Cp1没有影响。通过收集由右手边感应出的电荷，在电流输入的帮助下，Cp1也有一个非常低的阻抗，我们忽略Cp2收集的任何感应电荷。事实上，Cp1和Cp2都被UTI短路掉了。这样的结果就是Cp2也失去了它的寄生特性，同样也不影响Cx的测量结果。

因为这里没有地信号，所以实际的测量可以用三个UTI引脚的连接来实现，如图3：

图3  实际的UTI连接（仅仅测量Cx）

因为UTI的输入端A是非常敏感的输入端，连接线应该采用屏蔽类型，屏蔽层应连接到UTI信号地。

由输入端A收集的感应电荷，控制了激励频率。内部振荡器的周期是与电容容值成比例的。频率被除以128（快速模式）或1024（慢速模式）。一个完整周期（分割后的）信号变成了一个输出状态（被微控制器取样）。在快速模式下，可以得到更多的测量值（8倍）。但是代价是降低了精度。在慢速模式下，可以得到*大的精度。对慢速和快速模式来说，a0和a1的值是不同的。

采用图3的测量设定，UTI将会给你一个很好的相关性的关于电容Cx容值的指示，来自连接线的寄生电容都被消除了。与Cx有关的数字输出定时器的周期与Cx的容值成比例（T=a0+a1*C）。

如果我们可以将UTI用另一个代替，这将会给你一点轻微的数值变化（就像用了另外一个万用表一样）。不同的UTI，导致内部放大器的偏置和增益不同。为了解决这个问题，UTI同样有**的解决方案，那就是三信号技术。

4 三信号技术

我们将使用具有一个已知值的被称作参照电容的**个电容，通过**根线连接到输出端C。图4给出了连接方式。因为连接线的精度是由UTI掌控的，所以连接线不需要是一样的。参照电容应该紧挨着UTI，这样就不会有精度损失。

图4 三信号技术

当我们打开UTI时，数字输出给了我们三个时间间隔Toff，Tref，Tx(如图5)。这些间隔分别与Coff(通常是0)，Cx，Cref成比例。

我们也可以在B和A之间连接一个第三个电容，一个外部偏置电容Coff，ext。但是此时有一个更好的选择就是让这个电容为0。这个电容不存在，但是此时仍然有一个内部的引脚与引脚间的电容（Coff，int）。

在接下来的段落里，我们将会向你展示我们通过结合已知容值电容Cref和处理定时信息，可以消除偏置和增益错误，和像温度漂移等其他的错误来源。

5 实行和一点数学

如果你连接UTI到两个电容，如图4，并且使UTI工作在模式1(一个未知电容的模式)下，你将得到一个像图5一样的输出信号。

图5 从UTI的数字输出

信号包含三个状态，持续时间分别是Toff，Tref，Tx。**个状态的持续时间，Toff，总是*短的，对应于开路输出端B的值。它给你关于偏置错误的信息，总是可以从它是两个周期被识别（两个高电平，两个低电平）。

让我们更详细点。所有的电容值都被UTI转化为他们对应的周期持续时间。总的公式是：

T=a0+a1*Cext，在这里a0表示内部UTI偏置，而a1表示UTI增益。

有两个电容，我们得出如下等式：

通过测量这三个状态周期Toff，Tref，Tx的持续时间，我们可以得出Cx，a0和a1的值。这些周期都能够在任何微控制器用一个引脚测量。

下面我们将看到，取得的精度依赖于取样率和UTI工作在那种模式之下。增加的精度总是可以通过多个周期取样获得和/或以一个高速率取样获得。

由于我们没有连接任何外部电容到输出端B，Coff的值是0。这告诉我们：

现在我们有三个等式，1，2，3和三个未知量（Cx，a0和a1），所以我们能够解出这个方程。让我们计算

因此，并且

这意味着求Cx的值，可根据5式计算出M，然后再乘以参照电容的值。

当UTI使用在模式1下时，a0和a1的典型值是：

在慢速模式下，这些值是8倍大。

通常使用者仅仅关注通过求解1，2，3得出的对Cx值的估计，越**越好。如果有人关心偏置和增益，他们将会作如下计算：

6 分辨率考虑

使用UTI的不同操作模式（电容，电阻，桥阻等）和速度模式，可以获得的*大的分辨率是不同的。在快速模式下，UTI大概每10ms实现一个完整的测量周期，在慢速模式下大概是100ms。在慢速模式下比快速模式可获得的*大分辨率要好一些（大概3bits）。正像你看到的一样，为了得到高精度的结果，当测量电容，电阻或桥阻时，只需要一个很小的处理电源。

通常来讲，分辨率主要依赖于两个不同的噪声源。一个时内部UTI热噪声，另外一个是量化噪声，这取决于取样率。UTI的热噪声是1/f噪声，表现为图6：

图6 UTI分辨率

测量状态量的量化噪声标准差是：

这里，ts是取样时间，Toff是偏置状态持续时间。我们选择Toff是因为它是*短状态，因此对结果的分辨率是一个保守的估计。

在图6中给出的量化噪声对应于取样率为1MHz，满量程是2pF，UTI在慢速模式下。在这个模式下，对一个输出状态，激励源频率（在自由运行时为50KHz）包含有1024个循环。Toff总计为1024*20μs，大概为20ms。公式1得出。因此，在这个情况下，*好的相对标准差对应于*大的分辨率是15.5bits。

正如你在图6中看到的一样，并没有增加取样率（可以降低量化噪声线在图6中），这是因为热噪声总是*重要的因素。因为这个，实际上，测量小电容的*大分辨率是14bit（而不是1.5bit）。

另外一个因素也必须考虑，那就是寄生电容Cp的影响。在上面我们定义这个电容的影响是完全被电磁输出阻抗和输入端电荷收集抵消。这样的情况仅发生在Cp的值相对于选择的量程是合理的情况下。在量程为2pF时，这意味着Cp不能大于50到100pF。当Cp的值增加时，所有的分辨率都降低。UTI的这个特性有很好的备注，但是超出了这篇文章的论述范围。

7 增加的信息

操作模式列表

应用注解

在网页smartec.www.nl(支援中心)上可以找到UTI的应用指南，包括电路原理图，软件列表和流程图。

8 总结

UTI是一个自校正通用接口用于将所有模拟传感器，例如，小电容，PT100(0)元件，阻桥等直接连接到微控制器。UTI执行传感器的值的测量和将这些值转换为数字化的信号输出。微控制器从输出中取样并作一些简单的运算，这被称作三变量技术。使用这项技术，可以消除类似增益和偏置错误和温度漂移。过去这样的应用都是由**模拟电路和模数转换器实现的，现在可以用一个UTI芯片和一个微控制器程序实现。硬件被软件替代。

微控制器可以是简单的PIC处理器，只要取样速率足够高。为了获得*大的精度，每个状态大概要取样100，000次。（5MHz在20ms内）

使用UTI，它是一种三变量技术，设计者的工作会变得简单一点。