基于PS021微小電容低功耗測量電路的設計

摘要：提出一種微小電容低功耗測量電路的設計方案。該電路具有功耗低、體積小、抗干擾性強、分辨力高、刷新率高的特點(diǎn)。闡述了測量電路的基本原理、具體實(shí)現和各模塊功能，并且通過(guò)測量0～5 pF范圍的動(dòng)態(tài)電容驗證了電路的性能。提高了微小電容的測量精度，具有良好的應用前景。
關(guān)鍵詞：PS021；微小電容；低功耗

0 引言
電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。它具有結構簡(jiǎn)單、溫度穩定性好、分辨力高、動(dòng)態(tài)響應好，并能在高溫、輻射和強烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)。
由于電容式傳感器輸出的電容信號很小(1 fF～10 pF)，同時(shí)存在傳感器及其連接導線(xiàn)雜散電容和寄生電容的影響，這就需要測量電路必須滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。
目前，國內外在測量10 pF以下的電容都存在很大的困難，測量電路多是采用電荷轉移法或交流法，即將電容量轉換為電壓或電流，電路往往受到電子開(kāi)關(guān)的電荷注入效應的影響，并且其提高測量速度和提高分辨力的矛盾難以解決。
本文擬采用德國ACAM公司的通用電容檢測芯片PS021芯片進(jìn)行微小電容測量電路的設計。該芯片把電容測量轉化為精確的時(shí)間測量，內部算法可以很好地抑制寄生電容對測量結果的影響，芯片集成的溫度補償模塊還能保證很好的穩定性，在10 Hz刷新頻率時(shí)能夠達到6 aF的有效精度，最高刷新頻率可達50 kHz，高精度高刷新率可緩和測量速度和分辨力的矛盾。

1 微小電容測量模塊
總體設計原理框圖如圖1所示，主要有承壓殼體、電源管理電路、PS021芯片、單片機幾部分組成。

PS021芯片將承壓殼體變化產(chǎn)生的電容信號轉換成相應的16位數字量；MSP430單片機通過(guò)SPI接口對PS021進(jìn)行控制，并將數據存入MSP430的閃存；數據采集完畢之后通過(guò)紅外模塊傳到計算機中，使用VisualBasie6．O軟面板顯示測量結果曲線(xiàn)；電源管理部可對MSP430和PS021進(jìn)行分時(shí)可控供電。
1．1 PS021主要特性
PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter時(shí)間數字轉換器)技術(shù)而產(chǎn)生，使之成為一種完全集成的超低功耗、超高精度測量芯片。這種數字測量原理提供非常高的測量靈活性，具有很寬的測量范圍，有效精度位最高可達22位。芯片可以通過(guò)SPI兼容的串行口，與單片機或DSP進(jìn)行通信。同時(shí)具有獨立的溫度測量端口、寄生電容補償電路，是一款可用于壓力傳感器、加速度傳感器、間隙測量的高端芯片。
1．2 測量原理
感應電容和參考電容與電阻相連接形成了一個(gè)低通濾波器。PS021控制模擬開(kāi)關(guān)輪流通斷，二者導通時(shí)間相等，兩個(gè)電容依次輪流在導通時(shí)間內充放電。放電到相同電壓的時(shí)間將會(huì )被高精度TDC所測量。
參考電容充放電測得τ1=RCref，傳感器電容充放電測得τ2=RCsensor，根據芯片內部算法計算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref為已知電容，最后得到16位的效據，從而實(shí)現了對傳感器電容的測量。PS021控制模擬開(kāi)關(guān)使得充放電重復在兩個(gè)電容進(jìn)行，然后計算出電容測量值的比值。如圖2所示，該曲線(xiàn)圖是由兩個(gè)電容之一的充放電曲線(xiàn)在時(shí)間軸上平移導通時(shí)間而得，圖中ns級的間隔對應兩個(gè)電容的差值。當傳感器處于初始狀態(tài)時(shí)，參考端電容基本等于傳感器的初始電容，兩者充放電曲線(xiàn)通過(guò)平移基本上能夠重合；當被測電容變化時(shí)，圖中ns級的間隔△t對應兩個(gè)電容的差值△C，或者電容的變化△C引起放電時(shí)間的延遲△t。