Tento článek je věnován převážně obvodu AD7745. Rozdíly mezi obvody AD7745 a AD7746 je jen v počtu možných měřených kondenzátorů. AD7746 umožňuje měření dvou kondenzátorů. Jinak jsou obvody a jejich nastavení téměř shodné. Měřené kondenzátory se zde připojují mezi dva piny obvodu. Jsou tudíž „plovoucí“ – nejsou spojeny se zemí. Větší rozdíly jsou mezi těmito obvody a obvodem AD7747. Tento obvod má menší rozlišení než předchozí obvody. Měřený kondenzátor se zde připojuje mezi jeden pin obvodu a zem. Výrobce k tomuto obvodu již zveřejnil datasheet, ale obvod ještě není v prodeji. Stále se vyvíjí.

Základní vlastnosti obvodu AD7745:

• možnost měření jak jednoduchých tak i rozdílových kapacitních senzorů
• rozlišení 4pF
• přesnost 4pF
• linearita 0,01%
• měřené rozsahy kapacity 17pF neproměnný, 4pF proměnný
• tolerance parazitní kapacity proti zemi 60pF
• potlačení rušení síťové frekvence 50 a 60 Hz
• obvod obsahuje teplotní senzor (rozlišení 0,1°C, přesnost ±2°C)
• možnost připojení externího teplotního senzoru
• interní oscilátor
• I2C sběrnice
• napájení 2,7 – 5,25V, spotřeba 0,7mA
• pracovní teplota -40 až +125°C
• pouzdro TSSOP

Blokové schéma obvodu

Popis pinů obvodu

Pin	Označení	Popis
1	SCL	clock pro I2C
2	RDY	log. výstup signalizující nová změřená data
3, 4	EXCA, EXCB	buzení senzorů
5, 6	REFIN(+), REFIN(-)	vstup napěťové reference
7, 8	CIN1(+), CIN1(-)	rozdílový vstup kapacitního kanálu
9, 10	NC	nezapojeno
11, 12	VIN(+), VIN(-)	rozdílový vstup napěťového kanálu
13	GND	zem
14	VDD	napájení
15	NC	nezapojeno
16	SDA	sériový obousměrný přenos dat

Měření a nastavení obvodu

Při nastavení obvodu je možnost zvolit čas měření a tím i efektivní počet bitů. Čas je možné volit od 11ms (17,6bit) do 109,6ms (20,9bit). Samozřejmě s větším měřícím časem je i menší velikost šumu.

Veškerá data do obvodu i z obvodu jsou přenášena po sběrnici I2C. Jelikož je tato sběrnice osmi bitová a obvod měřenou veličinu odesílá ve formě 24bit čísla, tak je toto číslo rozděleno na 3byty a odesláno postupně. V řídícím procesoru je nutné zase složit data do 24bit čísla.

Před měřením je nutné obvod nastavit. Nastavuje se co chci měřit, jestli kapacitu nebo teplotu. Při měření kapacity obvod nejpřesněji měří kapacitu do 4,096pF. Pomocí registru CAPDAC je ale možné měřenou kapacitu zvýšit, až na 17pF, ale za cenu snížení přesnosti. Dále je možnost volby jestli použiji interní referenční napětí, nebo přivedu externí.

Pro měření teploty obvod obsahuje interní teplotní senzor. Přesnost tohoto senzoru je uvedena v úvodu tohoto článku. Také je možné použít externí senzor. Obvod měří napětí, tak pro měření teploty postačí PN přechod diody nebo tranzistoru a měří se na něm úbytek napětí vlivem teploty. Přesnost externího senzoru je ale menší než interního.

Možnosti zapojení obvodu

Měření kondenzátorů do kapacity max 4pF
 

Měření kondenzátorů do kapacity 17pF
 

Měření teploty externím senzorem

Zapojení kapacitního senzoru přiblížení

Zapojení vyhodnocovací elektroniky
 

Zapojení senzoru

Stručný popis zařízení

Jedná se o kapacitní senzor přiblížení, který je schopen detekovat člověka, nebo kovovou uzemněnou překážku na vzdálenost 80cm. V případě detekce např. dřeva se maximální detekovaná vzdálenost sníží na 30cm. Tyto vzdálenosti platí, pokud kolem senzoru (v okruhu cca 50cm) nejsou žádné velké kovové předměty. Jinak je max. detekovaná vzdálenost menší.

Senzor řídí mikroprocesor Atmel AVR Mega8515, který s měřícím obvodem AD7745 komunikuje pomocí I2C sběrnice. Měřící obvod se připojuje pomocí konektoru SV2. Měření se aktivuje tlačítkem S2. K indikaci slouží 8 barevných LED diod a pro nejmenší vzdálenosti ještě reproduktor. S dodržením podmínek pro měření vzdálenosti do 80cm jedna LED odpovídá cca 10cm. Reproduktor začne pískat od 30cm a postupně mění zvuk. Zařízení také odesílá měřená data do PC pomocí sériového portu. Pomocí sériového portu se odesílá také teplota okolí senzoru.

Zařízení dále obsahuje konektor SV3, který slouží na nastavování senzoru. Pomocí propojek lze měnit zobrazení změřené hodnoty. Spojením pinů 1 a 2 se deaktivuje akustická signalizace. Propojením pinů 3 a 4 se deaktivuje sériový přenos a pomocí pinů 5 a 6 se mění zobrazení na LED diodách. Při rozpojení svítí diody jednotlivě, při spojení jako bargraf. Konektor SV1 slouží k připojení programátoru procesoru přes ISP.

Při aktivaci měření zařízení změří kapacitu a uloží si ji do paměti jako referenční. Další měření se poté porovnávají s referenční kapacitou. Pokud se senzor v průběhu měření přemístí, nebo nastanou nějaké změny, je nutné stisknutím tlačítka S1 změřit novou referenční kapacitu.

Jako senzor jsem použil plošný spoj, na kterém byly jen dvě elektrody vzdálené od sebe 5cm a dlouhé 15cm. Návrh senzoru je k dispozici mezi návrhy plošných spojů.

Přikládám volně ke stažení zdrojový kód do mikroprocesoru a návrh plošných spojů jak na senzor tak i na vyhodnocovací elektroniku. Plošné spoje jsou navrženy v programu Eagle 4,13.

Podrobné nastavení a popis obvodu je v datasheetu od výrobce. Je možné si ho stáhnout na adrese: www.analog.com, kde je také možnost objednat si zkušební vzorek zdarma.

Download & Odkazy

• Download HEX souboru pro vyhodnocovací elektrroniku - kapacita.hex
• Download echéma a DPS ve formátu Eagle - meric_kapacity_DPS.zip