使用UTI測(cè)量直流電壓

1 介紹

UTI可以為許多被動(dòng)傳感元件提供接口，例如，電容，電阻，阻橋和電阻分壓計(jì)。通過(guò)一些外部元件，UTI也能夠?yàn)橹绷麟妷簻y(cè)量提供接口。這對(duì)熱電偶信號(hào)測(cè)量應(yīng)用時(shí)非常有用。

2 測(cè)量概念

UTI電容測(cè)量的功能可以被用來(lái)測(cè)量電壓信號(hào)。例如，圖1（a）給出了一個(gè)

使用UTI的模式C23測(cè)量電壓信號(hào)的電路原理圖。在這個(gè)電路中，Vx表示一個(gè)未知電壓（待測(cè)量），Vref是一個(gè)已知參照電壓。電容Cs和開(kāi)關(guān)Sx1,Sx2,Sref1,Sref2從電壓信號(hào)Vx和Vref取樣并將這些電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)。UTI將會(huì)把這些電荷轉(zhuǎn)換為周期輸出。

采用三信號(hào)技術(shù)[3]通過(guò)消除接口系統(tǒng)的增益和偏移量來(lái)保證電路的精度和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)三信號(hào)技術(shù)，一個(gè)參照信號(hào)（Vref）和一個(gè)常量（包括偏移電壓）必須在兩個(gè)增加的狀態(tài)中以與傳感信號(hào)（Vx）完全同樣的方式被測(cè)量。圖一愕完整周期，1(b)給出了由三個(gè)狀態(tài)Toff,Tx,Tref組成。

圖1(a) 測(cè)量系統(tǒng)的原理圖   （b）UTI的輸出信號(hào)Vout

接下來(lái)，我們來(lái)解釋一下測(cè)量原理：

當(dāng)UTI工作在模式C23下時(shí)，引腳A是UTI中電荷放大器的輸入端，引腳E和F是內(nèi)部接地，引腳B，C和D輸出方波信號(hào)（請(qǐng)見(jiàn)圖1（b））。這些方波信號(hào)的周期是由電容Cs中的電荷量調(diào)制。這些方波信號(hào)同樣控制著取樣開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

在引腳B輸出方波信號(hào)時(shí)，UTI的初始偏置被測(cè)量。在引腳C輸出方波信號(hào)時(shí)，參照電壓被測(cè)量。而在引腳D輸出方波信號(hào)時(shí)，待測(cè)量(一個(gè)電壓信號(hào))被測(cè)量。每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間與每個(gè)信號(hào)在那個(gè)狀態(tài)的時(shí)間成正比。這個(gè)時(shí)間由以下公式給出：

Vcc是供電電壓。K是UTI的線性傳輸系數(shù)。Coff是一個(gè)初始常量部分（包括偏置電容）。

根據(jù)等式1,2,3,待測(cè)量Vx表示為

                                                  （4）

公式（4）指出，由于采用了三信號(hào)技術(shù)，電容的大小和誤差，供電電壓Vcc，線性傳輸系數(shù)K的誤差都不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

上述測(cè)量原理同樣適用于模式C25，C12，CMUX和C300。

3 非理想情況

由于采用了三信號(hào)技術(shù)，很多不理想因素都被消除了。然而，還是有一些效應(yīng)不能被這個(gè)技術(shù)消除，比如下面將討論的。

A  寄生電容的影響

圖2給出了電壓測(cè)量系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵的寄生電容Cpx,Cpref,Cpl和Cpin。

圖2  電壓測(cè)量系統(tǒng)中的寄生電容

1） 寄生電容Cpin

正如我們?cè)趨⒖糩2]中所描述的一樣，寄生電容Cpin會(huì)導(dǎo)致在將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成輸出周期時(shí)產(chǎn)生一個(gè)非線性。對(duì)一個(gè)300ppm的非線性，寄生電容*大允許250pF。 

2） 寄生電容cpx和Cpref

寄生電容cpx和Cpref對(duì)結(jié)果的影響可以用下述方程表達(dá)：

                    （5）

     方程5指出，即使采用三信號(hào)技術(shù)，寄生電容cpx和Cpref仍然會(huì)在結(jié)果中產(chǎn)生增益誤差和偏移量。這些系統(tǒng)錯(cuò)誤可以在微控制器中通過(guò)補(bǔ)償運(yùn)算消除。

B) 參照電壓源和Vx的輸出阻抗Roref,Rox

參照電壓源和Vx的輸出阻抗Roref,Rox和與之關(guān)聯(lián)的電容形成一個(gè)RC電路，時(shí)間常數(shù)為：

                                         （6）

其中Roi代表輸出阻抗Rox或Roref。RON是開(kāi)關(guān)Sx,Sref的開(kāi)態(tài)電阻。這個(gè)效應(yīng)對(duì)結(jié)果造成一個(gè)相對(duì)誤差，

                                                            （7）

例如：給定一個(gè)相對(duì)誤差，比如小于105,在Ron=200Ω,Tp=10μs,Cs+Cpl=10pF, Roi必須小于43KΩ。

C) 開(kāi)關(guān)時(shí)鐘Feedthrough

在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常通過(guò)補(bǔ)償來(lái)減少開(kāi)關(guān)時(shí)鐘feedthrough的影響。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)Sx1,Sx2,Sref1,Sref2是被反向時(shí)鐘信號(hào)控制的，時(shí)鐘feedthrough的影響被消除掉了一部分。此外，還可以通過(guò)采用CMOS開(kāi)關(guān)更進(jìn)一步的降低時(shí)鐘FEEDTHROUGH。

D) 噪聲

采用圖1（a）所示的系統(tǒng)，在電壓測(cè)量中噪聲的主要來(lái)源是兩部分：振蕩器的噪聲和微控制器取樣時(shí)的量化噪聲。由這兩個(gè)噪聲源導(dǎo)致的有關(guān)錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)差分別表示如下：

                                              （8）

                                                     （9）

其中，fT是OTA的帶寬，νeq是OTA等價(jià)輸入噪聲（V/√Hz）的RMS值，fc是微控制器的取樣頻率，而N是測(cè)得的周期數(shù)。

4 測(cè)量范圍的*優(yōu)化

為了保證UTI工作在它的*佳線性測(cè)量范圍，對(duì)電壓的測(cè)量范圍Vx,range和取樣電容Cs的值是由一下關(guān)系決定的：

                                                 （10）

其中Cx,range是UTI的電容測(cè)量范圍。例如，在UTI模式C23下，Cx,range＝2pF。

當(dāng)取樣開(kāi)關(guān)是由VDD供電，而VDD大于UTI的供電電壓VCC時(shí)。圖1（a）所述的測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量一個(gè)大于VCC的電壓。

5 采用模式C12和C25的電壓信號(hào)測(cè)量

電壓信號(hào)也可以用UTI的模式C12和C25測(cè)量。圖3給出了UTI采用模式C12和C25測(cè)量電壓信號(hào)的電路原理圖。

圖3  UTI采用模式C12和C25測(cè)量電壓信號(hào)的電路原理圖。

圖4給出了UTI在模式C12和C25下的輸出信號(hào)

圖4  UTI輸出信號(hào)

6 采用模式CMUX測(cè)量電壓信號(hào)

圖5給出了UTI采用模式CMUX測(cè)量電壓信號(hào)的電路原理圖。

圖5  采用模式CMUX測(cè)量電壓信號(hào)的電路原理圖