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続 い て 容 量 デ ジ タ ル コ ン バ ー タ ( C D C Capac i t ance - to -Dig i t a l Conver te r)の具体例を紹介しますアナログデバイセズ(ADI)は高分解能のシグマデルタ(ΣΔ)方式C D Cを提供しています「A D 7 7 4 5」は 1チャンネル「A D 7 7 4 6」は 2チャンネルのC D C製品でいずれも入力に直接接続された容量の値を測定することができます分解能はミッシングコードなしの 2 4ビットで有効分解能は 2 1ビットですまた直線
性はplusmn 0 0 1精度はplusmn 4 f F(工場からの出荷時に校正)といずれも高い性能を実現しています両製品は水位 位置圧力などの物理パラメータの測定に使用するセンサーとして最適です
A D 7 7 4 5とA D 7 7 4 6は機能的に完結した製品ですマルチプレクサ励起用のソース入力容量の調整に使用するスイッチドキャパシタ方式のDAコンバータ(CAP DAC)温度センサー電圧リファレンスクロックジェネレータ制御 キャリブレーション(校正)用のロジック回路 I 2C互換のシリアルインターフェース電荷平衡型の2次ΣΔモジュレータと3次デジタルフィルタで構成される高精度のコンバータコアを内蔵していますこのコンバータコア(CDCコア)は容量入力に対してはCDCとして動作し電圧入力に対してはADコンバータ(ADC)として動作します
測定の対象となる容量C xはΣΔモジュレータ(C D Cコア)の入力と励起用のソースの間に接続します励起信号としては矩形波を使用しますこの信号は変換動作の間C xに印加されますΣΔモジュレータはC xの電荷を継続的にサンプリングし0と1のストリームデータに変換しますデジタルフィルタはΣΔモジュレータの出力である0と1のストリームデータを処理し1の密度で表される容量値を求めますフィルタの出力はキャリブ レーション係数によってスケーリングされます最終的な結果は外部のホストからシリアルインターフェースを介して読み取ることができます
図 2に示した 4種の構成図はいずれもC D Cを使用した容量検知方法を表したものですそれぞれシングルエンド差動接地型浮動型のセンサーアプリケーションに対応します
シールドCx
CIN++
ndash
励起
CDCコア
シールドCx
CIN+
CINndash
励起
+
ndash
Cy
CDCコア
Cx
CIN+
EXC
励起
+
ndashCDCコア
Cx
CIN+
CINndash
励起
+
ndash
Cy
EXC
CDCコア
(a)シングルエンド接地型センサー
(b)差動接地型センサー
(c)シングルエンド浮動型センサー
(d)差動浮動型センサー
シールドCx
CIN++
ndash
励起
CDCコア
シールドCx
CIN+
CINndash
励起
+
ndash
Cy
CDCコア
Cx
CIN+
EXC
励起
+
ndashCDCコア
Cx
CIN+
CINndash
励起
+
ndash
Cy
EXC
CDCコア
(a)シングルエンド接地型センサー
(b)差動接地型センサー
(c)シングルエンド浮動型センサー
(d)差動浮動型センサー
Analog Dialogue 49-042
容量式の水位検知システムのハードウェア 2つの容量測定チャンネルを備えたAD7746は水位検知の用途に非常に適しています図4にそのためのシステムのブロック図を示しましたこのシステムでは容量式センサーとリファレンスの容量値がデジタルデータに変換されますそれらのデータは I 2Cポートを介してホストPCまたはマイクロコントローラに送信されます
bull d hが1より十分に大きい場合εR(eff )はほぼ1 bull d hがほぼ1の場合εR(eff )は (1+εR) 2
コプレーナで構成したセンサーの線路長当たりの容量はほぼ一定ですそのため上式から測定された容量値は液体に浸された部分の長さに比例することがわかります「LabVIEW reg」(Nat iona l Ins t ruments社製)によって開発したソフトウェアを使用しシステムのキャリブレーションを実行することでさらに高い精度を得ることができます
LabVIEWで開発したソフトウェア
LabVIEWを用いてPC上で動作するソフトウェアを開発しましたこのソフトウェアではC D Cから I 2C互換のシリアルインターフェースを介してデータを取り出す処理を実行します図7に示したのはPC向けに開発したGUI(Graphica l User In te r face)です液体の水位を検知するデモ用システムの稼働中に水位周囲温度電源電圧の各値がリアルタイムで表示されます
図 7 P Cに表示されたシステムのG U I
液体の水位は次式によって得られます
C C DRY Gain OffsetC C DRY
Level times= ndash ndash ndash
1
2
1
2
LabVIEWで開発したプログラムには基本的なキャリブレーション機能と高精度の測定を実現するための高度なキャリブレーション機能を用意しています「Dry(基本)」キャリブレーションは上式のC 1 D RYとC 2 D RYを求めるために使用します上式のGainとOffse tは0(インチ)と4におけるキャリブレーションによって求められますつまり各キャリブレーションで決まる二元一次方程式を解くことで求められますなおリファレンスコンデンサはキャリブレーションと測定処理の実行中は液体に浸しておく必要があります
まとめ
本稿では容量式センサーを使って液体の水位を検知するデモ用システムを紹介しました
関連資料
AD7746の評価用キット
AD7746 Evalua t ion Board Technica l Documenta t ion (AD7746の評価用ボードに関する技術資料)
Ning J ia「ADI Capaci tance- to-Digi ta l Conver te r Technology in Heal thcare Appl ica t ions」Analog Dia logue 46-05
J im Scar le t t「容量‐デジタルコンバータにより 診断システムのレベル検出を容易化」Analog Dia logue 48-04
Char les S Walker「Capaci tance Inductance and Cross ta lk Analys is」Artech House 1990 ISBN 978-0890063927
著者
J iayuan Wang( j i ayuan wanganalog com)は2013年にADIに入社しましたマサチューセッツ州ウィルミントンにあるカスタマソリューションイネーブルメント部門にアプリケーションエンジニアとして所属しています2013年にコーネル大学で修士号を取得しています
Jiayuan Wang
Analog Dialogue 49-042
容量式の水位検知システムのハードウェア 2つの容量測定チャンネルを備えたAD7746は水位検知の用途に非常に適しています図4にそのためのシステムのブロック図を示しましたこのシステムでは容量式センサーとリファレンスの容量値がデジタルデータに変換されますそれらのデータは I 2Cポートを介してホストPCまたはマイクロコントローラに送信されます
bull d hが1より十分に大きい場合εR(eff )はほぼ1 bull d hがほぼ1の場合εR(eff )は (1+εR) 2
コプレーナで構成したセンサーの線路長当たりの容量はほぼ一定ですそのため上式から測定された容量値は液体に浸された部分の長さに比例することがわかります「LabVIEW reg」(Nat iona l Ins t ruments社製)によって開発したソフトウェアを使用しシステムのキャリブレーションを実行することでさらに高い精度を得ることができます
LabVIEWで開発したソフトウェア
LabVIEWを用いてPC上で動作するソフトウェアを開発しましたこのソフトウェアではC D Cから I 2C互換のシリアルインターフェースを介してデータを取り出す処理を実行します図7に示したのはPC向けに開発したGUI(Graphica l User In te r face)です液体の水位を検知するデモ用システムの稼働中に水位周囲温度電源電圧の各値がリアルタイムで表示されます
図 7 P Cに表示されたシステムのG U I
液体の水位は次式によって得られます
C C DRY Gain OffsetC C DRY
Level times= ndash ndash ndash
1
2
1
2
LabVIEWで開発したプログラムには基本的なキャリブレーション機能と高精度の測定を実現するための高度なキャリブレーション機能を用意しています「Dry(基本)」キャリブレーションは上式のC 1 D RYとC 2 D RYを求めるために使用します上式のGainとOffse tは0(インチ)と4におけるキャリブレーションによって求められますつまり各キャリブレーションで決まる二元一次方程式を解くことで求められますなおリファレンスコンデンサはキャリブレーションと測定処理の実行中は液体に浸しておく必要があります
まとめ
本稿では容量式センサーを使って液体の水位を検知するデモ用システムを紹介しました
関連資料
AD7746の評価用キット
AD7746 Evalua t ion Board Technica l Documenta t ion (AD7746の評価用ボードに関する技術資料)
Ning J ia「ADI Capaci tance- to-Digi ta l Conver te r Technology in Heal thcare Appl ica t ions」Analog Dia logue 46-05
J im Scar le t t「容量‐デジタルコンバータにより 診断システムのレベル検出を容易化」Analog Dia logue 48-04
Char les S Walker「Capaci tance Inductance and Cross ta lk Analys is」Artech House 1990 ISBN 978-0890063927
著者
J iayuan Wang( j i ayuan wanganalog com)は2013年にADIに入社しましたマサチューセッツ州ウィルミントンにあるカスタマソリューションイネーブルメント部門にアプリケーションエンジニアとして所属しています2013年にコーネル大学で修士号を取得しています
Jiayuan Wang
Analog Dialogue 49-04 3
= Cl
πε εR(eff ) O
π( ) w t
+ 1+
d wndashln )(
この式の詳細について以下にまとめます
bull dは2本の平行線路の中間点間の距離
bull lは線路の長さ
bull wは各線路の幅(線路の幅は等しいと仮定)
bull tは線路の厚さ
bull 実効比誘電率εR(eff )はdとhの比によって決まる (hはプリント基板の厚さ)
bull d hが1より十分に大きい場合εR(eff )はほぼ1 bull d hがほぼ1の場合εR(eff )は (1+εR) 2
コプレーナで構成したセンサーの線路長当たりの容量はほぼ一定ですそのため上式から測定された容量値は液体に浸された部分の長さに比例することがわかります「LabVIEW reg」(Nat iona l Ins t ruments社製)によって開発したソフトウェアを使用しシステムのキャリブレーションを実行することでさらに高い精度を得ることができます
LabVIEWで開発したソフトウェア
LabVIEWを用いてPC上で動作するソフトウェアを開発しましたこのソフトウェアではC D Cから I 2C互換のシリアルインターフェースを介してデータを取り出す処理を実行します図7に示したのはPC向けに開発したGUI(Graphica l User In te r face)です液体の水位を検知するデモ用システムの稼働中に水位周囲温度電源電圧の各値がリアルタイムで表示されます
図 7 P Cに表示されたシステムのG U I
液体の水位は次式によって得られます
C C DRY Gain OffsetC C DRY
Level times= ndash ndash ndash
1
2
1
2
LabVIEWで開発したプログラムには基本的なキャリブレーション機能と高精度の測定を実現するための高度なキャリブレーション機能を用意しています「Dry(基本)」キャリブレーションは上式のC 1 D RYとC 2 D RYを求めるために使用します上式のGainとOffse tは0(インチ)と4におけるキャリブレーションによって求められますつまり各キャリブレーションで決まる二元一次方程式を解くことで求められますなおリファレンスコンデンサはキャリブレーションと測定処理の実行中は液体に浸しておく必要があります
まとめ
本稿では容量式センサーを使って液体の水位を検知するデモ用システムを紹介しました
関連資料
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AD7746 Evalua t ion Board Technica l Documenta t ion (AD7746の評価用ボードに関する技術資料)
Ning J ia「ADI Capaci tance- to-Digi ta l Conver te r Technology in Heal thcare Appl ica t ions」Analog Dia logue 46-05
J im Scar le t t「容量‐デジタルコンバータにより 診断システムのレベル検出を容易化」Analog Dia logue 48-04
Char les S Walker「Capaci tance Inductance and Cross ta lk Analys is」Artech House 1990 ISBN 978-0890063927
著者
J iayuan Wang( j i ayuan wanganalog com)は2013年にADIに入社しましたマサチューセッツ州ウィルミントンにあるカスタマソリューションイネーブルメント部門にアプリケーションエンジニアとして所属しています2013年にコーネル大学で修士号を取得しています