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高精度电容传感芯片系列 MDC01/MDC04

      电容型传感芯片MDC01/04是高集成度的数字模拟混合信号传感集成电路。芯片直接与被测物附近的差分电容极板相连,利用不同物质介电常数的区别,通过内置的驱动、放大、数字转换、补偿等电路计算电容的微小变化,从而实现物质成分的传感检测。芯片内部集成了高精度的16bit 模数转换(ADC)电路,其电容分辨率为0.1fF,线性度误差小于0.3%。此外,芯片内置精度0.5℃的温度传感电路,可用于温度补偿及其他融合温度传感的场景。可用于液位检测、食品/土壤等水分含量测量、冰霜检测、 接近传感、位移传感、物质介电常数检测等应用场景。

MDC01/04分别为单通道和四通道测量的高精度电容调理芯片。每一个通道测量电容两极之间的互感电容,可编程的偏置电容测量范围是0~103.5pF,可编程的可变电容范围是±15.5pF。传感芯片测量工作方式灵活, 可配置1-4多通道测量的组合,单次测量、周期性循环测量等工作模式。芯片支持数字单总线和I²C 双通信接口:单总线接口适合长线缆、多节点的分布式传感应用场景;C接口适合高速率的板级应用场景。

MDC01/04的供电电压2.0V~5.5V,工作时峰值电流500µA、睡眠时待机电流0.2uA。封装形式为3*3mm 的QFN20。工作温度范围-55~125℃。和国内外同类产品相比,具有电容测量范围宽、工作电压宽、工作温度范围宽、I²C/单总线接口灵活、内置温度测量、小尺寸、低功耗、低成本等优势。

 

主要特性

 

 

封装和实物图

 

MDC04系统组成图

 

 电容调理芯片内置了四路片外电容测量的驱动及接收调理电路,通过多路选择器(MUX)实现时分复用的采集处理。接收的信号可通过数字模拟转换器(DAC)配置测量的中心值及量程,经过放大器、模数转换器(ADC)后转换成16bit的电容数值。 芯片也集成了温度传感单元用于温度传感的应用。 电容及温度数据通过数字补偿计算单元进行滤波、偏置、斜率等数字补偿计算后存入寄存器堆。

MDC04兼容了数字单总线及I²C 两种数字接口,内部数字控制模块可以识别接口指令进行电容采集、温度采集、内存读写、功能配置、报警等指令。 芯片内置电源稳压器(LDO)及电源管理逻辑,在不执行指令时可以自动进入睡眠,总线工作时自动唤醒。 此外,芯片内部集成了EEPROM 存储单元,用于存储芯片校准系数、用户定制信息及64bit 唯一的ID 号码。  

 

应用电路

1. 单总线接口方式

 

       单总线接口方式的系统应用如上图,端口DQ连接到上位机处理器的GPIO上,通过上拉电阻Rup连到VDD,通过上位机软件来实现各节点芯片的读写控制,各节点芯片的MODE管脚接VDD。单总线系统使用单一总线主机控制一个或多个从设备,通过ID号来寻址与访问。MDC01/04永远为从设备。当总线上只有一个从设备,系统被称为“单点”系统;当总线上有多个从设备,称为“多点”系统,系统串联2-100多个节点。MDC01/04使用严格的单总线通讯协议以确保数据完整性,该协议定义了几种信令类型:复位脉冲,应答脉冲,写0,写1, 0,读1。除了传感器应答脉冲之外,所有信令都由总线主机发起

2. I2C接口方式

 

      I²C接口方式的系统应用如上图,各节点芯片的MODE管脚接地,数据端口SDA和时钟端口SCL端口分别连接到上位机处理器的对应端口上,并接上拉电阻Rup连到VDD,通过上位机软件来实现各节点芯片的读写控制。根据实际应用, 可以串联2个节点,通过ADDR端口接高低电平进行不同的寻址与访问。MDC01/04支持I²C标准模式(频率可达400 kHz),命令和数据都映射到16位地址空间。此外,数据和命令包含CRC校验,传感器发送和接收的数据总是跟随8位CRC校验来提高通信可靠性。在写入操作时,主机必须向从机发送CRC,只有收到正确CRC值,MDC01/04才接受数据;在读取操作时,由主设备读取并处理校验和。