CN0346 相对湿度测量系统

CN0346 AD7745片内集成激励源，该激励源连接传感器的发送器走线。还可使用容性检测，实现近距离传感器。基本近距离传感器包括一个接收器和一个发射器，每个都是由PCB层上的金属走线组成。接收器与发送器走线之间产生电场。这个电场大部分集中在传感器PCB的两层之间。不过，边缘电场从发射器扩展到PCB之外，并终止回到接收器。通过片内Σ-Δ型CDC在接收器处测量电场强度。当人手进入边缘电场时，电场环境会发生变化，一部分电场被分流到地而不是终止于接收器。电容值因而减小，并由转换器检测到，与皮法量级的电场相比其变化量为飞法量级。 本电路使用 EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)评估板和EVAL-CN0346-PMDZ电路板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。 EVAL-CN0346-PMDZ包含待评估电路，如本电路笔记所述。EVAL-SDP-CB1Z与 CN-0346 评估软件 一同使用，收集 EVAL-CN0346-PMDZ 的数据。SDP/PMD转接板(SDP-PMD-IB1Z) 用来将 EVAL-CN0346-PMDZ 板与 EVAL-SDP-CB1Z 板相连，如图3所示。 设备要求 需要以下设备： EVAL-CN0346-PMDZ 评估板 EVAL-SDP-CB1Z 评估板 SDP/PMD 转接板 (SDP-PMD-IB1Z) CN-0346 评估软件 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC 容性湿度传感器、Innovative Sensor Technology P14-W (EVAL-CN0346-PMDZ板上集成) 6 V、100 mA 电源 6 V 壁式电源适配器 一个湿度受控的样品室 开始使用 将 CN-0346 评估软件 光盘放入PC，加载评估软件。打开我的电脑，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。 功能框图 测试设置框图参见图3，电路原理图参见EVAL-CN0346-SDPZ-SCH-RevX.pdf文件。此文件位于 CN-0346 设计支持包中。 设置 将EVAL-SDP-CB1Z上的120引脚连接器连接到SDP-PMD-IB1Z板上。使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。将EVAL-CN0346-PMDZ连接到SDP-PMD-IB1Z板上的连接器J2。 在断电情况下，将一个6.0 V直流管式插孔连接到SDP-PMD-IB1Z板上的连接器J1。将EVAL-SDP-CB1Z附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。在断电情况下，将6 V电源连接到EVAL-CN0346-PMDZ评估板上的连接器J5。此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。 将整个系统放入带有湿度控制的密封样品室内。另外，如果有必要的话，还可在目标环境中仅放置检测元件。外部湿度计或其他经过校准的湿度传感器可用作校准或验证来自CN-0346评估软件输出数据的参照点。 测试 将电源施加到SDP-PMD-IB1Z板连接器J1的直流管式插孔上。将电源施加到EVAL-CN0346-PMDZ板的连接器J5上。启动CN-0346评估软件，并通过USB电缆将PC连接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB连接器。 一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z来发送、接收和捕捉来自EVAL-CN0346-PMDZ的串行数据。 有关EVAL-SDP-CB1Z的信息，请参阅 SDP 用户指南。有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅 CN-0346 软件用户指南。 RH是空气中水蒸气的含量，以某一温度下空气中最大承受量的百分比表示。相对湿度是一个重要的指标，因为它将温度和压力的效应纳入考虑范围。 湿度计是传统的RH测量设备，多年来采用了多种形式，包括金属纸卷、人的头发以及双温度计部署。现代电子部署中采用容性元件，可抵抗老化效应、冷凝和快速温度波动。 当聚合物或金属氧化层受不同量的水分影响时，容性传感器的介电常数也会发生变化。大部分容性传感器需要经数秒才会对湿度变化做出响应。 湿度传感器特性 图1中的电路使用Innovative Sensor Technology P14-W系列容性传感器。传感器的重要规格包括电容、灵敏度、温度、线性度和迟滞。 传感器的典型电容较大为150 pF ± 50 pF(30% RH时)。该共模电容不影响相对湿度读数，但需要特殊电路才能与电容数字转换器实现接口。 容性元件的灵敏度决定了相对湿度读数。灵敏度是相对湿度改变1%时，电容的变化量；通过测量两个独特相对湿度点的电容，并除以RH百分比的变化即可计算得到灵敏度。 P14-W的典型灵敏度为0.25 pF/% RH。 若要计算特定相对湿度条件下的传感器温度依赖性，可使用下列公式和系数(数据来自Innovative Sensor Technology P14-W数据手册)： 其中： B1 = 0.0014/°C %RH = 42% B2 = 0.1325% RH/°C T = 23°C B3 = −0.0317 B4 = −3.0876% RH TDEPEND = −0.0191% RH. 若温度为23°C，则42% RH计算值将改变−0.0191% RH。将此数值加入% RH计算值可校正传感器的温度依赖性。 Innovative Sensor Technology P14-W系列的线性度和迟滞为±1.5% RH。 计算相对湿度 相对湿度可由电容C和温度T算得，计算步骤如下： 从电容读数中减去电容。 除以灵敏度。 在计算值中加入参考湿度。 计算温度依赖性TDEPEND。 在步骤3的结果中加入TDEPEND。 例如，假设容性传感器读数为C = 153 pF (T = 23°C)，若理想特性如下： 电容 = 150 pF (30% RH) TDEPEND = −0.0191% RH 灵敏度 = 0.25 pF/% RH 参考点 = 30% RH (23°C) 根据上文说明以及下文公式，计算相对湿度： 计算相对湿度测量的温度依赖性方法与所选特定湿度传感器有关；因此，必须始终参考数据手册来确定正确公式。 电容数字转换器(CDC) 24位 AD7745 CDC使用开关电容充电平衡电路测量电容，如图2所示。吞吐速率为10 Hz至90 Hz。 图2.单端容性传感器部署   电荷与电压和电容的乘积Q = V × C成正比，转换结果表示输入传感器电容CSENS与内部参考电容CREF之比。激励电压(EXC)和内部基准电压(VREF)具有固定的已知值。 待测CSENS连接激励源和Σ-Δ型调制器输入。转换期间在CSENS上施加32 kHz方波激励信号，而调制器会对流过CSENS的电荷进行连续采样。数字滤波器处理调制器输出，该输出为0和1位流。转换值包含在位流的1密度中。来自滤波器的数据经过调节并经过校准，结果通过串行接口读取。 输入范围调节 AD7745测量输入电容时有两个限制。首先，其动态范围为±4.096 pF，但很多基于电容的湿度传感器具有更大的动态范围。其次，CDC的最大共模电容为21 pF。很多湿度传感器具有更大的电容。 AD7745具有偏置输入共模范围的能力，方法是编程设置内部7位电容DAC (CAPDAC)寄存器。CAPDAC用作负电容，通过内部连接至CIN1±引脚。这允许高达21 pF典型值的共模电容。 加入图1所示的范围扩展电路，确保在CSENS中传输的电荷保持在AD7745的输入范围内。为此，激励电压减小F倍，以使传感器电容增加F倍。 计算范围扩展系数 若要计算范围扩展系数，必须编程设置AD7745的两个独立激励源(EXCA和EXCB)，以使EXCB等于EXCA的倒数。电阻R1和R2的连接如图1所示，由此获得的范围扩展系数F等于AD7745差分激励电压(VEXCA/VEXCB，位于EXCA与EXCB之间)与运算放大器AD8515正输入端的衰减激励信号(VEXCS)的比值。范围扩展系数计算如下： 衰减后的激励电压VEXCS的平均电压为VDD/2。AD8515运算放大器用作低阻抗缓冲器，确保AD7745开始采样时，CSENS处于完全充电的状态。 传感器电容可能高达200 pF，且AD7745共模电容的最小值为17 pF，因此所需范围扩展系数(FCM)为： 传感器动态范围计算如下： 动态范围所需的范围扩展系数(FDYN)计算如下： 计算表明，决定范围扩展系数的参数是传感器电容；因此，后续计算将使用F = 11.76。 选择电阻值 选择R1和R2值，部署所需的范围扩展系数。选择R1值为100 kΩ。然后计算R2的电阻值，并将其向下舍入为标准E96系列中的下一值： 其中： R1 = 100 kΩ F = 11.76 R2 = 118.58 kΩ. 使用容差为1%或更低的电阻。任一电阻(R1或R2)值的小幅变化都可导致范围扩展系数的大幅变化。若R1电阻值为100 kΩ，R2电阻值为118 kΩ，则范围扩展系数为： 使用CAPDAC移除共模电容 AD7745容性输入经过出厂校准，因此输入范围为0 pF至4.096 pF(单端模式)，以及±4.096 pF(差分模式)。AD7745集成内部CAPDAC，允许调节输入共模电容。 CAPDAC用作负电容，通过内部连接至CIN1±引脚。有两个独立的CAPDAC，一个连接到CIN1(+)，另一个连接到CIN1(−)。 CAPDAC具有7位分辨率，满量程值为21 pF ± 20%。 计算图1示例中单端湿度检测元件所需的CAPDAC设置时，可将针对下列十进制代码值对应的17 pF共模电容设置CAPDAC： 测试设置 CN-0346系统未正确设置并校准前，无法收集测试数据。首先，将EVAL-CN0346-PMDZ印刷电路板(PCB)放置在一个湿度受控的空间内，并连接精密电感电容电阻(LCR)计量仪(HP4284A)。LCR计量仪将任何电容计算与传感器的实际电容值关联起来。两组导线从每一个PCB的密闭容器中伸出去。第一组导线专用于I2C数字通信。第二组导线允许通过LCR计量仪直接测量传感器电容；只有在E VA L-CN0346-PMDZPCB未连接电源时才可执行此测量。 图3显示用于基准测试设置中数据采集的框图。 图3.基准测试框图  其次，对于两个特定的湿度水平(5% RH和95% RH)，使用AD7745测量外壳的温度，并使用LCR计量仪测量传感器电容。使用这两个校准点来计算传感器的灵敏度。 将灵敏度输入Calculations选项卡中的Relative Humidity Calculation 字段(图4)。使用10% RH校准点填充C_BULK字段和RH_REF(%)字段。 最后，计算所需CAPDAC共模值，并将其输入CAPDAC字段，如图5所示。 至此，CN-0346系统准备就绪并完成计算。Click to Sample可将传感器电容值以C_CALC形式显示在Capacitance Calculation窗口中。收集样本时，改变湿度，观察相对湿度计算的变化。 图4.CN-0346评估软件的 Calculations 选项卡屏幕截图   图5.CN-0346评估软件的Calibration选项卡屏幕截图   测试结果 所有测试数据均来自放入密闭容器的Boveda包(Boveda, Inc.)以及三个EVAL-CN0346-PMDZ PCB，如图6所示。Boveda包内含有经特殊处理的纯净水和盐溶液，设计用于控制密闭容器内的湿度，使其保持±2.5%的特定预设相对湿度值。 图6.数据采集基准测试设置   图7显示整个相对湿度范围内的相对湿度误差。 图7.相对湿度测量误差   PCB布局考虑 在任何注重精度的电路中，应考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。有关布局和接地的信息，请参见 MT-031 指南；有关去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南 。 所有IC的电源应当用1 μF和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近器件。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。 电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。将时钟和其他快速开关数字信号连接至数字地，以便它们和电路板上的其他器件相屏蔽。PCB如图8所示。 欲获得有关本电路笔记的完整设计支持包，请访问 www.analog.com/CN0346-DesignSupport。 图8. EVAL-CN0346-PMDZ PCB 照片   CN0346 相对湿度测量系统 图1所示双芯片电路是一款非接触式、基于电容的相对湿度(RH)测量解决方案，该方案具有2%相对湿度精度(0% RH至100% RH)，并可替代体积庞大、基于湿度计的解决方案。该电路适合精度、温度控制、非接触式湿度测量至关重要的应用，比如H VA C、电信机柜、婴儿保温箱以及其他工业或医疗应用。 潮湿导致容性传感器的介电常数随周围环境的相对湿度而改变。例如，本电路中使用的 Innovative Sensor Technology P14-W 容性传感器由顶部电极、聚酰亚胺层和底部电极组成，灵敏度为0.25 pF/% RH，线性度为1.5% RH。 湿度传感器输出经24位、Σ-Δ型电容数字转换器(CDC) AD7745数字化处理。双线式I2C兼容接口允许访问内部配置寄存器，同时执行数据转换。 轨到轨放大器 AD8615 具有极低的失调电压(65 μV)和宽信号带宽(>20 MHz)性能，可用作单位增益缓冲器，并为传感器提供适当的驱动信号。 图1.基于容性检测的湿度测量系统(原理示意图：未显示去耦和所有连接)   CN0346 CN0346

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