一種高精度測量微小電容的電路

摘要：提出了一種高精度、低成本的電容的測量方法。該方法采用差動式直流充電法測量微小電容，具有功耗低、體積小、分辨率高、刷新率高的特點(diǎn)。同時(shí)詳細(xì)闡述了測量電路的基本原理、具體實(shí)現(xiàn)，并且通過測量固定電容驗(yàn)證了電路的性能。
關(guān)鍵詞：電容傳感器；差動式測量；直流充電

0 引言
    電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應(yīng)快、可非接觸測量，及能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，并且已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
    微小電容測量電路必須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。電容式傳感器輸出的電容信號往往很小(1fF～10 pF)，又存在傳感器及其連接導(dǎo)線雜散電容和寄生電容的影響，這對電容信號的測量電路提出了非常高的要求，如此微小的電容信號的測量成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
    本文提出一種恒流源充電法對兩個微小電容進(jìn)行充電檢測的方法。本設(shè)計(jì)僅由單片機(jī)和少數(shù)芯片即可以實(shí)現(xiàn)電容的高精度，高頻率測量。由于采用了差動式測量，本設(shè)計(jì)可以有效地減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減少干擾，減少寄生電容的影響。若選用高性能模擬開關(guān)能大大減小電荷注入效應(yīng)的影響。在檢測0～5 pF的實(shí)驗(yàn)中，采樣頻率可以達(dá)到100 kHz，有效精度位最高可達(dá)12位。

1 原理分析
    實(shí)現(xiàn)測量的電路原理如圖1所示，其完整的測量過程是：單片機(jī)控制模擬開關(guān)K1，K2斷路，標(biāo)準(zhǔn)電容Cl和待測電容C2由相同的兩個恒流源I1和I2進(jìn)行充電；在相同的時(shí)間T1內(nèi)，電容C1、C2的充電電壓為U1、U2。由電容基本公式可得：
   

    令△U=U1-U2，則電壓差△U經(jīng)過放大后，通過MSP430單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲的同時(shí)，單片機(jī)控制K1、K2閉合，在T2時(shí)間內(nèi)，使C1，C2兩端的短路，兩電容兩端電壓降到零，此時(shí)完成放電過程。
    至此，一次完整的采樣過程結(jié)束，充放電時(shí)序見圖2。

    在整個過程中，單片機(jī)要產(chǎn)生一個頻率為100 kHz，占空比為90％的PWM波，用以控制K1、K2的通斷，還要以(T1+T2)的周期完成AD變換和數(shù)據(jù)存儲。其中，T1的最大值小于充電時(shí)間，T2的最小值大于放電時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 恒流源的設(shè)計(jì)
    恒流源是整個測量系統(tǒng)模擬部分的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)測量的精度。本設(shè)計(jì)中的兩個恒流源要求輸出電流相等，具體設(shè)計(jì)如圖3。

    因Vi是采用單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電壓1．5 V，UL≤1．5 V，故n值、RL與Rs的比值，直接影響恒流源電流的輸出，只要保證UL小于1．5 V時(shí)，該電路輸出電流為恒定值，與負(fù)載電阻RL沒有關(guān)系。

2．2 放大電路的設(shè)計(jì)
    放大電路采用以儀表放大器INA128為核心的儀表放大器。該放大器在放大100倍時(shí)帶寬可達(dá)200 kHz，完全滿足了設(shè)計(jì)的要求。
    C1和C2兩個電容由相應(yīng)的恒流源在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電，兩電容充電電壓差由INA128進(jìn)行放大，并送入單片機(jī)進(jìn)行采樣存儲。圖4為充放電標(biāo)準(zhǔn)信號與INA128放大后的結(jié)果。

3 軟件設(shè)計(jì)
    為實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)接入電源后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，需要外部電平信號才能喚醒。為了避免系統(tǒng)的誤開始測量，當(dāng)需要測量電容信號時(shí)，將觸發(fā)信號置高，如果20 s內(nèi)觸發(fā)信號一直置高，則系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采集存儲狀態(tài)。為得到包括觸發(fā)前和觸發(fā)后的完整電容信號曲線，一旦電容信號達(dá)到預(yù)設(shè)的觸發(fā)值，系統(tǒng)便進(jìn)入觸發(fā)態(tài)，將電容信號存儲到閃存，閃存存滿后，將RAM中的FIFO數(shù)據(jù)導(dǎo)入閃存預(yù)留地址。之后，系統(tǒng)進(jìn)入待讀數(shù)態(tài)，此時(shí)插上USB接口，接收到計(jì)算機(jī)的讀數(shù)命令之后即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，并且在第一次讀取數(shù)據(jù)之后和掉電以后再上電可重復(fù)無數(shù)次讀取并顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)如圖5。

    為實(shí)現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)，電路不工作時(shí)，即接通電源態(tài)和待讀數(shù)態(tài)，系統(tǒng)處于值更狀態(tài)、超低功耗態(tài)LPM4；工作時(shí)都處于全功耗態(tài)。

4 測量結(jié)果
    傳感器的標(biāo)定就是通過實(shí)驗(yàn)確定傳感器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系，用以確定傳感器系統(tǒng)的線性度、靈敏度和重復(fù)性等靜態(tài)性能指標(biāo)。
    表1為測量0～5pF電容的數(shù)據(jù)。由最小二乘法相關(guān)計(jì)算公式可得，擬合直線為y=0．993x+0．049，重復(fù)性誤差為1．77％，非線性誤差為0．84％，基本誤差為2．61％。

5 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)的核心硬件由芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，省去了昂貴的電容測量芯片，由低功耗，低成本的數(shù)字芯片組成，有效降低了測量系統(tǒng)的成本。整個系統(tǒng)電路板面積小于2．7 cm2，工作電流小于8 mA，低功耗電流為0．02 uA，由于待測電容和標(biāo)準(zhǔn)電容均有接地端，所以具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并體現(xiàn)了低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本測量方案可以非常靈活，實(shí)現(xiàn)模塊化，所設(shè)計(jì)的同一塊PCB可以移植到許多電容式傳感器的設(shè)計(jì)中去。