基于RISC-SOC微電容測(cè)量模塊的研制

　0引言

　　電容傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。因而對(duì)電容特別是對(duì)微小電容的精確測(cè)量始終是一個(gè)很重要的內(nèi)容。目前大部分測(cè)量方法大部分集成化水平低，有的精度不高。電橋法利用電橋平衡原理測(cè)量電容，測(cè)量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于待測(cè)電容在 100PF以下時(shí)，板間的內(nèi)電容常會(huì)污染測(cè)量結(jié)果；另外，振蕩法測(cè)電容的抗干擾能力差。本文提出的容抗匹配法是將待測(cè)電容接入容抗匹配電路，待測(cè)電容在高品質(zhì)的交流激勵(lì)下，呈現(xiàn)固定的容抗。通過容抗－電壓轉(zhuǎn)換電路，即可得與電容成比例的電壓值。經(jīng) ADC采樣后，可計(jì)算電容值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)電容可以保證測(cè)量精度，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。

　　1 微電容測(cè)量模塊基本原理

　　微電容測(cè)量模塊原理框圖如圖1所示，外觀如圖2所示。

　　該模塊包含引線電容抑制電路、容抗電壓變換電路、一片集成的RISC-SOC混合信號(hào)處理器以及485接口、LCD顯示等。模塊的工作原理如下：RISC-SOC混合信號(hào)處理器芯片按CPU指令，用DDS直接數(shù)字頻率合成方式，通過12位D/AC產(chǎn)生穩(wěn)定度優(yōu)于1/1000，失真度小于1/1000的穩(wěn)定正弦波，作為測(cè)量的激勵(lì)源。待測(cè)電容在該交流激勵(lì)源作用下，呈現(xiàn)固定的容抗Z。

　　由式（1）可見 1/Z的大小正比于電容值的大小。通過一個(gè)1/Z－電壓變換電路即可得與電容值成正比的電壓信號(hào)，據(jù)此可計(jì)算出電容值。正弦波表 ROM內(nèi)存有 64點(diǎn)的正弦波表，保持 DDS頻率不變，將波表峰值提高 10倍，量程可縮小 10倍;改變正弦波表的點(diǎn)數(shù)為 640點(diǎn)，即可得到頻率為 1OOHZ的正弦波，量程則擴(kuò)大 10倍。因此無需硬件開關(guān)，可以通過純軟件的方法切換量程。485接口電路主要按照 Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的顯示工作。引線電容抑制電路用來消除引線本身電容對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，且屏蔽外部干擾。

　　2 微電容測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

　　微電容測(cè)量設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

　　2.1 混合信號(hào)處理器

　　我們選擇TI公司的MSP430F4270單片機(jī)作為混合信號(hào)處理器。MSP430F4270單片機(jī)集成了16位RISC處理器、12位DAC、16位ADC、32K代碼存儲(chǔ)器、液晶驅(qū)動(dòng)器、液晶偏壓發(fā)生器、看門狗等大量CPU外部資源。利用4270單片機(jī)的12位DAC，在中斷中以查表DDS的方式產(chǎn)生1KHZ的正弦波作為測(cè)量電路的激勵(lì)源。測(cè)量結(jié)果被4270單片機(jī)的16位ADC采樣后換算成電容值。最終的測(cè)量結(jié)果顯示在段碼液晶上。由于內(nèi)部集成液晶控制器和偏壓發(fā)生電路，硬件上只需要將液晶和段碼控制腳直連即可。轉(zhuǎn)換結(jié)果也可通過485接口與外界通信。4270單片機(jī)沒有串口，只能用軟件模擬實(shí)現(xiàn)串口。4270的手冊(cè)推薦用32K外部晶體，倍頻得到CPU時(shí)鐘。但考慮到內(nèi)部倍頻的鎖頻環(huán)(FLL)存在頻率抖動(dòng)，干擾正弦波，故倍頻率應(yīng)盡量低。本系統(tǒng)選4MHz外晶體，2倍頻(FLL最低倍頻值)得到8MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。

　　2.2 電容測(cè)量電路

　　電容測(cè)量電路如圖4所示。DDS產(chǎn)生的正弦波是電壓范圍0-1.2V 的正弦波，即直流0.6V ，峰峰值1.2V的正弦波。首先被C1隔除直流分量，再被運(yùn)放U3A放大10倍，變成正負(fù)對(duì)稱，峰峰值12V的正弦波。DDS產(chǎn)生的正弦波還殘留有高頻分量，C2和R2構(gòu)成低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率3KHz，保留激勵(lì)正弦波，濾除殘余高頻分量。放大后的正弦電壓加在被測(cè)電容Cx上，在此激勵(lì)之下流過Cx的電流被U3B轉(zhuǎn)換成電壓值。U3B輸出的是輸幅度正比于Cx的大小的正弦電壓，且與屏蔽引線長(zhǎng)度無關(guān)。C3用于進(jìn)一步濾除殘余高頻。U3C和U3D構(gòu)成精密檢波電路，將U3B的輸出交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓。運(yùn)放的輸出端不能直接和4270內(nèi)部的Sigma-Delta型ADC直接連接。需要在采樣前增加一RC濾波器。

　　3 引線電容抑制

　　由于導(dǎo)線本身具有電容，會(huì)對(duì)電容測(cè)量帶來干擾，所以要采取措施來降低或消除引線電容。如圖5所示，C y1,Cy2為引線等效電容。C y1在激勵(lì)源與地之間，和Cx并聯(lián)，由于激勵(lì)源很低阻抗，a,c間的電流對(duì)a、b間電壓幾乎沒有影響。因此C y1對(duì)測(cè)量不會(huì)造成影響。C y2在b點(diǎn)和地之間。b點(diǎn)用運(yùn)放給出一個(gè)虛地，那么b、c 間無壓差。且b、c間分布電容C y2的容量相對(duì)較小(幾十pF)，阻抗較高，所以b,c間電壓幾乎為0，無電流通過。由此可知，C y1, Cy2都不會(huì)對(duì)測(cè)量帶來影響。圖中虛線為屏蔽層，電纜的屏蔽層則完全屏蔽了外干擾電場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響。

　　圖5 引線抑制電路

　　4 通訊接口

　　4.1 微電容測(cè)量模塊和PC機(jī)的接口

　　如圖6所示，測(cè)量模塊可以通過一支485-232轉(zhuǎn)接器和PC機(jī)連接。在PC機(jī)上運(yùn)行CapMonitor軟件即可遠(yuǎn)程操控和察看，也可運(yùn)行校準(zhǔn)和設(shè)置。

　　4.2 微電容測(cè)量模塊和單片機(jī)的接口

　　單片機(jī)的IO口是TTL電平，因此需要一片MAX485或同類485電平收發(fā)芯片，參考電路如圖7：

　　如果和51單片機(jī)類似的IO口帶有弱上拉的單片機(jī)可以不需要R3。

　　5 結(jié)束語：本文設(shè)計(jì)的電容測(cè)量模塊集成化程度高，功耗低，電容測(cè)量誤差在200PF以內(nèi)時(shí) ≤±1%，在200PF以上時(shí) ≤±0.5%，量程可達(dá)0-20000PF。既可以做成便攜式的電容測(cè)量儀，又可以作為一些測(cè)量系統(tǒng)中的組成部分。