使用UTI测量直流电压

1 介绍

UTI可以为许多被动传感元件提供接口，例如，电容，电阻，阻桥和电阻分压计。通过一些外部元件，UTI也能够为直流电压测量提供接口。这对热电偶信号测量应用时非常有用。

2 测量概念

UTI电容测量的功能可以被用来测量电压信号。例如，图1（a）给出了一个

使用UTI的模式C23测量电压信号的电路原理图。在这个电路中，Vx表示一个未知电压（待测量），Vref是一个已知参照电压。电容Cs和开关Sx1,Sx2,Sref1,Sref2从电压信号Vx和Vref取样并将这些电压信号转换为电荷信号。UTI将会把这些电荷转换为周期输出。

采用三信号技术[3]通过消除接口系统的增益和偏移量来保证电路的精度和可靠性。为了实现这个三信号技术，一个参照信号（Vref）和一个常量（包括偏移电压）必须在两个增加的状态中以与传感信号（Vx）完全同样的方式被测量。图一愕完整周期，1(b)给出了由三个状态Toff,Tx,Tref组成。

图1(a) 测量系统的原理图   （b）UTI的输出信号Vout

接下来，我们来解释一下测量原理：

当UTI工作在模式C23下时，引脚A是UTI中电荷放大器的输入端，引脚E和F是内部接地，引脚B，C和D输出方波信号（请见图1（b））。这些方波信号的周期是由电容Cs中的电荷量调制。这些方波信号同样控制着取样开关的状态。

在引脚B输出方波信号时，UTI的初始偏置被测量。在引脚C输出方波信号时，参照电压被测量。而在引脚D输出方波信号时，待测量(一个电压信号)被测量。每个状态的持续时间与每个信号在那个状态的时间成正比。这个时间由以下公式给出：

Vcc是供电电压。K是UTI的线性传输系数。Coff是一个初始常量部分（包括偏置电容）。

根据等式1,2,3,待测量Vx表示为

                                                  （4）

公式（4）指出，由于采用了三信号技术，电容的大小和误差，供电电压Vcc，线性传输系数K的误差都不会影响测量结果。

上述测量原理同样适用于模式C25，C12，CMUX和C300。

3 非理想情况

由于采用了三信号技术，很多不理想因素都被消除了。然而，还是有一些效应不能被这个技术消除，比如下面将讨论的。

A  寄生电容的影响

图2给出了电压测量系统中的一些关键的寄生电容Cpx,Cpref,Cpl和Cpin。

图2  电压测量系统中的寄生电容

1） 寄生电容Cpin

正如我们在参考[2]中所描述的一样，寄生电容Cpin会导致在将输入信号转化成输出周期时产生一个非线性。对一个300ppm的非线性，寄生电容*大允许250pF。 

2） 寄生电容cpx和Cpref

寄生电容cpx和Cpref对结果的影响可以用下述方程表达：

                    （5）

     方程5指出，即使采用三信号技术，寄生电容cpx和Cpref仍然会在结果中产生增益误差和偏移量。这些系统错误可以在微控制器中通过补偿运算消除。

B) 参照电压源和Vx的输出阻抗Roref,Rox

参照电压源和Vx的输出阻抗Roref,Rox和与之关联的电容形成一个RC电路，时间常数为：

                                         （6）

其中Roi代表输出阻抗Rox或Roref。RON是开关Sx,Sref的开态电阻。这个效应对结果造成一个相对误差，

                                                            （7）

例如：给定一个相对误差，比如小于105,在Ron=200Ω,Tp=10μs,Cs+Cpl=10pF, Roi必须小于43KΩ。

C) 开关时钟Feedthrough

在实际应用中经常通过补偿来减少开关时钟feedthrough的影响。因为开关Sx1,Sx2,Sref1,Sref2是被反向时钟信号控制的，时钟feedthrough的影响被消除掉了一部分。此外，还可以通过采用CMOS开关更进一步的降低时钟FEEDTHROUGH。

D) 噪声

采用图1（a）所示的系统，在电压测量中噪声的主要来源是两部分：振荡器的噪声和微控制器取样时的量化噪声。由这两个噪声源导致的有关错误的标准差分别表示如下：

                                              （8）

                                                     （9）

其中，fT是OTA的带宽，νeq是OTA等价输入噪声（V/√Hz）的RMS值，fc是微控制器的取样频率，而N是测得的周期数。

4 测量范围的*优化

为了保证UTI工作在它的*佳线性测量范围，对电压的测量范围Vx,range和取样电容Cs的值是由一下关系决定的：

                                                 （10）

其中Cx,range是UTI的电容测量范围。例如，在UTI模式C23下，Cx,range＝2pF。

当取样开关是由VDD供电，而VDD大于UTI的供电电压VCC时。图1（a）所述的测量系统可以测量一个大于VCC的电压。

5 采用模式C12和C25的电压信号测量

电压信号也可以用UTI的模式C12和C25测量。图3给出了UTI采用模式C12和C25测量电压信号的电路原理图。

图3  UTI采用模式C12和C25测量电压信号的电路原理图。

图4给出了UTI在模式C12和C25下的输出信号

图4  UTI输出信号

6 采用模式CMUX测量电压信号

图5给出了UTI采用模式CMUX测量电压信号的电路原理图。

图5  采用模式CMUX测量电压信号的电路原理图