基于PSoC的防高壓電容測量設計與實(shí)現

　　電容容量參數測量方法

　　從數字化與自動(dòng)化測量角度來(lái)講，電容容量參數測量通常有三種方法：容抗法,振蕩法和充電法。

　　容抗法是指利用電容對交流信號源所表現出的阻抗特性，通過(guò)測量電容在某一頻率下的容抗值，再利用z=1/wc(w為角頻率)關(guān)系式根據已知信號源的角頻率w計算出待測電容容量的方法。這種方法能較好地反映出電容元件交流頻率特性，可用來(lái)測量電容元件的多方面參數特性，例如容量，介質(zhì)損耗等，是當前電容測試儀產(chǎn)品應用最廣的一種方法。但是，它有一個(gè)缺點(diǎn)：電容的充電和放電同處于一個(gè)回路之中，要做到既能保證測量精度又能防高壓設計比較困難。

　　振蕩法是指利用由電阻、電容或電感無(wú)源元器件構成的振蕩電路，通過(guò)測量振蕩信號的頻率，再利用w=1/RC或w2=/LC關(guān)系式，根據已知其它無(wú)源元器件參數值計算出待測電容容量的方法。這種方法測量精度一般比較差，而且對振蕩電路所需的元件精度與穩定性都要求都很高，因此它主要應用在一些精度要求不高的產(chǎn)品或領(lǐng)域里。

　　充電法是指利用恒流源對待測電容進(jìn)行充電，通過(guò)測量電容電壓達到參考電壓所需的時(shí)間，再利用i=c×dUc/dt關(guān)系式算出待測電容容量的方法，如圖2所示。由于電流i是恒流源，所以i=c×dUc/dt可以演變?yōu)閏=i×St/Su關(guān)系式，這樣電容容量c與充電時(shí)間就有嚴格的線(xiàn)性比例關(guān)系。測量時(shí)只要將最終的計數結果讀出來(lái)并進(jìn)行一定的換算就可知道待測電容的容量值。

　　圖2 充電法測量電路圖

　　相比容抗與振蕩測量方法相比，這種方法具有如下一些特點(diǎn)：一、放電回路與充電回路可以分開(kāi)。如圖2所示，電容充滿(mǎn)電后，控制器的放電控制信號置高，N溝道場(chǎng)管導通，CX上的電荷即通過(guò)放電電阻R，場(chǎng)管的源漏極對地實(shí)現泄放。這種充放電回路分開(kāi)的拓樸結構對防高壓設計是非常有好處的。因為微控制器或外部硬件電路一旦檢測到待測電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開(kāi)，實(shí)現電容的高壓電荷泄放之后再測量，從而對由集成電路構成的高精度測量充電電路元件實(shí)行保護。二、成本低，精度高。如圖2所示，充電測量電路主要由計數器，比較器和恒流源組成，放電測量電路由一個(gè)電阻和NMOS管構成，這種電路結構可使得除了放電電阻和NMOS管不易集成到常用的單芯片系統之外，其它部分都可以集成進(jìn)去，從而確保整個(gè)電路結構簡(jiǎn)單，外圍元器件少。如果系統時(shí)鐘頻率加快，計數器的位數增加，將可以保證整個(gè)電容測量電路寬量程，高精度。三、這種電路主要適用于電容容量參數，其它方面的參數測量實(shí)現起來(lái)是比較困難的;同時(shí)如上所述，這種測量電路需要一個(gè)比較穩定的恒流源，而且為了實(shí)現寬量程，高精度的電容測量功能，這個(gè)恒流源還要求具有可編程性，范圍寬，以實(shí)現在小電容時(shí)使用恒定的小電流信號測量來(lái)確保測量精度，而大電容使用恒定的大電流信號測量來(lái)確保測量速度的要求。

　　根據上面所述的充電法電容參數測量特點(diǎn)，如果需要設計一款只測電容容量參數，而且能防高壓的電容測試系統，那么問(wèn)題的關(guān)鍵就集中到一點(diǎn)：具有一個(gè)大范圍，高精準，可編程的恒流源。事實(shí)上，我們在上面介紹PSoC時(shí)已經(jīng)提到了，PSoC都具有可實(shí)現充電法測量電路所需的比較器，計數器之外的可編程模擬和數字模塊之外，還具有可編程恒流源(IDAC)硬件資源。因此，基于PSoC來(lái)實(shí)現一個(gè)耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測試系統會(huì )是一件很容易做到的事情。

　　基于PSoC的防高壓電容容量測量方案實(shí)現

　　根據我們上面對基于PSoC的防高壓電容容量測量方案的可行性，實(shí)現拓樸以及PSoC 內部架構的闡述，我們可以知道要實(shí)現這一方案需要做如下幾部分設計：防高壓測量外圍電路設計，PSoC模塊配置設計和測量軟件設計。下面我們將對其分別進(jìn)行介紹。