FDC2x1x系列電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器深度解析

在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，電容式傳感技術(shù)憑借其低功耗、高分辨率和非接觸式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。德州儀器（TI）的FDC2x1x系列多通道、高分辨率電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，為電容式傳感應(yīng)用提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。下面，我們就來(lái)深入了解一下這個(gè)系列的產(chǎn)品。

文件下載：fdc2114.pdf

產(chǎn)品概述

FDC2x1x系列包括FDC2212、FDC2214、FDC2112和FDC2114，它們是專(zhuān)門(mén)為電容式傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)的高分辨率、多通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電容架構(gòu)不同，該系列采用了L-C諧振器（也稱(chēng)為L(zhǎng)-C諧振槽）作為傳感器，這種窄帶架構(gòu)使設(shè)備具有出色的電磁干擾（EMI）抗擾能力，并且顯著降低了噪聲基底。

主要特性

高性能指標(biāo)

• 輸出速率：FDC2112和FDC2114的單通道最大輸出速率可達(dá)13.3kSPS，而FDC2212和FDC2214為4.08kSPS。
• 輸入電容：最大輸入電容可達(dá)250nF（在10kHz和1mH電感的條件下）。
• 分辨率：最高可達(dá)28位，能夠滿足高精度測(cè)量需求。
• 系統(tǒng)噪聲基底：在100SPS時(shí)低至0.3fF，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

寬工作范圍

• 傳感器激勵(lì)頻率：支持10kHz至10MHz的寬頻率范圍，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性，尤其適用于對(duì)導(dǎo)電液體的可靠檢測(cè)。
• 電源電壓：工作電壓范圍為2.7V至3.6V，可適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 溫度范圍：能夠在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，適用于各種工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用。

低功耗設(shè)計(jì)

• 正常工作電流：僅為2.1mA，有效降低了系統(tǒng)功耗。
• 低功耗睡眠模式：電流僅為35μA，而關(guān)機(jī)模式下電流更是低至200nA，非常適合電池供電的應(yīng)用。

通信接口

采用I2C接口進(jìn)行通信，方便與微控制器（MCU）等設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備配置。

產(chǎn)品對(duì)比

從上述對(duì)比表格可以看出，F(xiàn)DC221x系列側(cè)重于高分辨率測(cè)量，而FDC211x系列則提供了更快的采樣速率，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)。

引腳配置與功能

FDC2112/FDC2212采用WSON-12封裝，F(xiàn)DC2114/FDC2214采用WQFN-16封裝。各引腳功能明確，如SCL和SDA用于I2C通信，CLKIN為控制器時(shí)鐘輸入，ADDR用于I2C地址選擇，INTB可用于配置中斷輸出等。理解這些引腳功能對(duì)于正確設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。

工作原理

FDC2x1x的工作基于測(cè)量L-C諧振器的振蕩頻率。當(dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，諧振頻率也會(huì)相應(yīng)改變，設(shè)備通過(guò)測(cè)量這個(gè)頻率變化并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值輸出。核心部分使用參考頻率（ (f{REF}) ）來(lái)測(cè)量傳感器頻率， (f{REF}) 可以來(lái)自?xún)?nèi)部振蕩器或外部提供的時(shí)鐘。

時(shí)鐘架構(gòu)與配置

時(shí)鐘選擇

關(guān)鍵時(shí)鐘包括 (f{IN}) 、 (f{REF}) 和 (f{CLK}) 。 (f{CLK}) 可以選擇內(nèi)部時(shí)鐘源或外部時(shí)鐘源（CLKIN）。對(duì)于精度要求較高的應(yīng)用，建議使用外部控制器時(shí)鐘，以滿足穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求；而對(duì)于成本敏感且對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，內(nèi)部振蕩器則是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

時(shí)鐘配置要求

不同的工作模式（多通道或單通道）對(duì)時(shí)鐘配置有不同的要求，需要根據(jù)具體情況設(shè)置CHx_FIN_SEL、CHx_SETTLECOUNT和CHxRCOUNT等寄存器的值，以確保 (f{REFx}) 和 (f_{INx}) 滿足規(guī)定范圍。

多通道與單通道操作

多通道操作

多通道模式允許設(shè)備依次對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行采樣，這種方式可以節(jié)省電路板空間，并且支持靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)使用第二個(gè)傳感器作為參考，可以抵消溫度漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

單通道操作

單通道模式下，設(shè)備只對(duì)一個(gè)可選擇的通道進(jìn)行采樣。在這種模式下，可以根據(jù)需要靈活調(diào)整采樣通道，以滿足特定的應(yīng)用需求。

數(shù)據(jù)輸出

每個(gè)通道的數(shù)字化傳感器測(cè)量值（DATAx）表示傳感器頻率與參考頻率的比值。對(duì)于FDC2112和FDC2114，數(shù)據(jù)輸出為16位結(jié)果的12個(gè)最高有效位（MSB）；而FDC2212和FDC2214的數(shù)據(jù)輸出則為28位。

功能模式

啟動(dòng)模式

上電后，設(shè)備進(jìn)入睡眠模式等待配置。建議在睡眠模式下對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，若需要更改設(shè)置，先返回睡眠模式，修改相應(yīng)寄存器后再退出。

正常（轉(zhuǎn)換）模式

在此模式下，設(shè)備定期對(duì)傳感器頻率進(jìn)行采樣，并為活動(dòng)通道生成采樣輸出。

睡眠模式

設(shè)置CONFIG.SLEEP_MODEEN寄存器為1可進(jìn)入睡眠模式，此模式下寄存器內(nèi)容保持不變。退出時(shí)，設(shè)置該寄存器為0，第一個(gè)轉(zhuǎn)換的傳感器激活在16,384 (f{INT}) 時(shí)鐘周期后開(kāi)始。睡眠模式下I2C接口仍可正常工作，且無(wú)轉(zhuǎn)換操作，同時(shí)會(huì)清除任何錯(cuò)誤條件并使INTB引腳失效。

關(guān)機(jī)模式

將SD引腳設(shè)置為高電平可進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，這是最低功耗狀態(tài)。退出時(shí)將SD引腳設(shè)置為低電平，進(jìn)入該模式會(huì)使所有寄存器恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，且在此模式下無(wú)法通過(guò)I2C接口進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

復(fù)位功能

可以通過(guò)向RESET_DEV.RESET_DEV寄存器寫(xiě)入值來(lái)復(fù)位設(shè)備，轉(zhuǎn)換停止，所有寄存器值恢復(fù)默認(rèn)。

應(yīng)用領(lǐng)域

接近傳感器

能夠檢測(cè)物體的接近或遠(yuǎn)離，廣泛應(yīng)用于觸摸感應(yīng)、自動(dòng)門(mén)控制、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。

手勢(shì)識(shí)別

通過(guò)檢測(cè)手部動(dòng)作產(chǎn)生的電容變化，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別功能，可用于智能設(shè)備的人機(jī)交互。

液位傳感器

可用于測(cè)量各種液體的液位，包括洗滌劑、肥皂和墨水等導(dǎo)電液體。由于其高分辨率和寬激勵(lì)頻率范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的液位測(cè)量。

設(shè)計(jì)建議

傳感器配置

支持單端和差分兩種傳感器配置。單端配置可提供更高的感應(yīng)范圍，而差分配置在近距離高靈敏度應(yīng)用中表現(xiàn)更優(yōu)。

屏蔽設(shè)計(jì)

為減少外部干擾，一些應(yīng)用可能需要添加屏蔽板。屏蔽板可以是有源驅(qū)動(dòng)的（通過(guò)外部放大器緩沖INxA引腳信號(hào)），也可以是無(wú)源接地的。添加無(wú)源屏蔽板會(huì)降低傳感器靈敏度，但可通過(guò)調(diào)整屏蔽板與傳感板之間的距離來(lái)達(dá)到所需的靈敏度。

電源管理

對(duì)于不需要高采樣率或最大轉(zhuǎn)換分辨率的應(yīng)用，可以利用睡眠模式或關(guān)機(jī)模式來(lái)減少總功耗。在選擇模式時(shí)，要考慮模式切換的開(kāi)銷(xiāo)和寄存器配置的保留情況。

電感選擇

應(yīng)確保傳感器頻率 (f{SENSOR}<0.8 ×f{SR}) ，其中 (f_{SR}) 是電感的自諧振頻率，以避免電感在自諧振頻率以上表現(xiàn)為電容，影響測(cè)量結(jié)果。

布局設(shè)計(jì)

• 盡量縮短傳感器與FDC之間的連接走線，以減少寄生電容，提高系統(tǒng)性能。
• 對(duì)于需要匹配通道響應(yīng)的系統(tǒng)，所有活動(dòng)通道的走線長(zhǎng)度應(yīng)盡量匹配。

總結(jié)

FDC2x1x系列電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器以其高性能、低功耗、寬工作范圍和靈活的配置選項(xiàng)，為電容式傳感應(yīng)用提供了全面的解決方案。無(wú)論是接近傳感器、手勢(shì)識(shí)別還是液位檢測(cè)等應(yīng)用，都能通過(guò)合理選擇型號(hào)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)揮出該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求，充分理解和利用產(chǎn)品的各項(xiàng)特性，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電容式傳感系統(tǒng)。你在使用FDC2x1x系列產(chǎn)品時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。