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(dòng)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)詳細闡述了測量電路的基本原理、具體實(shí)現，并且通過(guò)測量固定電容驗證了電路的性能。
關(guān)鍵詞：電容傳感器；差動(dòng)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換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結構簡(jiǎn)單、分辨力高、工作可靠、動(dòng)態(tài)響應快、可非接觸測量，及能在高溫、輻射和強烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，并且已在工農業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。
微小電容測量電路必須滿(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。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線(xiàn)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(gè)微小電容進(jìn)行充電檢測的方法。本設計僅由單片機和少數芯片即可以實(shí)現電容的高精度，高頻率測量。由于采用了差動(dòng)式測量，本設計可以有效地減小非線(xiàn)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(kāi)關(guān)能大大減小電荷注入效應的影響。在檢測0～5 pF的實(shí)驗中，采樣頻率可以達到100 kHz，有效精度位最高可達12位。

1 原理分析
實(shí)現測量的電路原理如圖1所示，其完整的測量過(guò)程是：?jiǎn)纹瑱C控制模擬開(kāi)關(guān)K1，K2斷路，標準電容Cl和待測電容C2由相同的兩個(gè)恒流源I1和I2進(jìn)行充電；在相同的時(shí)間T1內，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(guò)放大后，通過(guò)MSP430單片機的AD轉換模塊進(jìn)行轉換，數據存儲的同時(shí)，單片機控制K1、K2閉合，在T2時(shí)間內，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(guò)程。
至此，一次完整的采樣過(guò)程結束，充放電時(shí)序見(jiàn)圖2。

在整個(gè)過(guò)程中，單片機要產(chǎn)生一個(gè)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變換和數據存儲。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。