基于PS021微小電容低功耗測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

摘要：提出一種微小電容低功耗測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案。該電路具有功耗低、體積小、抗干擾性強(qiáng)、分辨力高、刷新率高的特點(diǎn)。闡述了測(cè)量電路的基本原理、具體實(shí)現(xiàn)和各模塊功能，并且通過測(cè)量0～5 pF范圍的動(dòng)態(tài)電容驗(yàn)證了電路的性能。提高了微小電容的測(cè)量精度，具有良好的應(yīng)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(cè)量的變化轉(zhuǎn)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(yīng)用。它具有結(jié)構(gòu)簡單、溫度穩(wěn)定性好、分辨力高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，并能在高溫、輻射和強(qiáng)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(hào)很小(1 fF～10 pF)，同時(shí)存在傳感器及其連接導(dǎo)線雜散電容和寄生電容的影響，這就需要測(cè)量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。
    目前，國內(nèi)外在測(cè)量10 pF以下的電容都存在很大的困難，測(cè)量電路多是采用電荷轉(zhuǎn)移法或交流法，即將電容量轉(zhuǎn)換為電壓或電流，電路往往受到電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)的影響，并且其提高測(cè)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(cè)芯片PS021芯片進(jìn)行微小電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。該芯片把電容測(cè)量轉(zhuǎn)化為精確的時(shí)間測(cè)量，內(nèi)部算法可以很好地抑制寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，芯片集成的溫度補(bǔ)償模塊還能保證很好的穩(wěn)定性，在10 Hz刷新頻率時(shí)能夠達(dá)到6 aF的有效精度，最高刷新頻率可達(dá)50 kHz，高精度高刷新率可緩和測(cè)量速度和分辨力的矛盾。

1 微小電容測(cè)量模塊
    總體設(shè)計(jì)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(jī)幾部分組成。

    PS021芯片將承壓殼體變化產(chǎn)生的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的16位數(shù)字量；MSP430單片機(jī)通過SPI接口對(duì)PS021進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)存入MSP430的閃存；數(shù)據(jù)采集完畢之后通過紅外模塊傳到計(jì)算機(jī)中，使用VisualBasie6．O軟面板顯示測(cè)量結(jié)果曲線；電源管理部可對(duì)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(shù)字轉(zhuǎn)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(cè)量芯片。這種數(shù)字測(cè)量原理提供非常高的測(cè)量靈活性，具有很寬的測(cè)量范圍，有效精度位最高可達(dá)22位。芯片可以通過SPI兼容的串行口，與單片機(jī)或DSP進(jìn)行通信。同時(shí)具有獨(dú)立的溫度測(cè)量端口、寄生電容補(bǔ)償電路，是一款可用于壓力傳感器、加速度傳感器、間隙測(cè)量的高端芯片。
1．2 測(cè)量原理
    感應(yīng)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控制模擬開關(guān)輪流通斷，二者導(dǎo)通時(shí)間相等，兩個(gè)電容依次輪流在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)充放電。放電到相同電壓的時(shí)間將會(huì)被高精度TDC所測(cè)量。
    參考電容充放電測(cè)得τ1=RCref，傳感器電容充放電測(cè)得τ2=RCsensor，根據(jù)芯片內(nèi)部算法計(jì)算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref為已知電容，最后得到16位的效據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器電容的測(cè)量。PS021控制模擬開關(guān)使得充放電重復(fù)在兩個(gè)電容進(jìn)行，然后計(jì)算出電容測(cè)量值的比值。如圖2所示，該曲線圖是由兩個(gè)電容之一的充放電曲線在時(shí)間軸上平移導(dǎo)通時(shí)間而得，圖中ns級(jí)的間隔對(duì)應(yīng)兩個(gè)電容的差值。當(dāng)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，兩者充放電曲線通過平移基本上能夠重合；當(dāng)被測(cè)電容變化時(shí)，圖中ns級(jí)的間隔△t對(duì)應(yīng)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。

2 測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計(jì)
    為實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)在上電后進(jìn)入超低功耗狀態(tài)，需要外部電平信號(hào)才能喚醒。系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)如圖3，為了避免系統(tǒng)的誤動(dòng)作，當(dāng)需要測(cè)量電容信號(hào)時(shí)，將觸發(fā)信號(hào)置為高，如果15 s內(nèi)觸發(fā)信號(hào)一直為高，則系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采集存儲(chǔ)的狀態(tài)。為得到包括觸發(fā)前和觸發(fā)后的完整電容信號(hào)曲線，一旦電容信號(hào)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(hào)存儲(chǔ)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。
2．2 控制模塊
   測(cè)量電路需要控制芯片來控制數(shù)據(jù)的讀取和寫入，由于PS021的外圍接口是SPI，所以控制部分采用美國TI公司的超低功耗微控制器MSP-430FG4618，它具有8 kB的RAM和113 kB的閃存。工作時(shí)，在SPI通信正確之后，單片機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送讀寫命令設(shè)置PS021并控制其測(cè)量的啟停，并接收存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字內(nèi)觸發(fā)。觸發(fā)前RAM循環(huán)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，觸發(fā)后將數(shù)據(jù)存入閃存中，采集完畢時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)2 kB的負(fù)延時(shí)。
2．3 電源管理模塊
    為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的各個(gè)工作環(huán)節(jié)中，由單片機(jī)適時(shí)控制不同模塊的供電開關(guān)狀態(tài)，為其提供電源或者切除電源，從而達(dá)到省電的目的。如圖4所示，電路供電選用LDO芯片LP5966輸出兩個(gè)獨(dú)立的3．3 V電壓：VDD=3．3 V供給單片機(jī)電源電壓，其供電使能一直開著，LVDD=3．3 V供給PS021，由ONA控制其開關(guān)狀態(tài)；選用電荷泵芯片MAX1595輸出HVDD=5 V供給PS021，由ONB控制其開關(guān)狀態(tài)；兩個(gè)芯片的供電直接由電池提供。

2．4 數(shù)據(jù)讀取模塊
    數(shù)據(jù)傳輸采用SHARP公司生產(chǎn)的GP2W0116YPS紅外模塊，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高的特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的無線數(shù)據(jù)通信，它支持紅外IrDA1．2的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳播速率2．4 kb／s～115．2 kb／s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要通過軟件實(shí)現(xiàn)控制功能，控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸，采用C語言對(duì)單片機(jī)編程，程序可讀性強(qiáng)，方便移植。主程序流程圖如圖5所示。

    主程序結(jié)構(gòu)很簡單，系統(tǒng)電源上電，關(guān)閉看門狗，I／O口初始化，進(jìn)入低功耗狀態(tài)LPM4，等待上電中斷、計(jì)算機(jī)讀數(shù)請(qǐng)求中斷，中斷響應(yīng)完畢后均返回低功耗狀態(tài)LPM4。


4 測(cè)量
    將電路用于內(nèi)彈道壓力測(cè)試系統(tǒng)電容式測(cè)壓器時(shí)，將22 cm3的測(cè)試系統(tǒng)置于燃爆壓力場(chǎng)中，得到測(cè)量曲線如圖6所示。

5 結(jié)論
    將電路用于內(nèi)彈道壓力測(cè)試系統(tǒng)中，取得了較好的效果，電路在10 kHz的刷新頻率下，完整記錄了爆炸前后的電容信號(hào)變化曲線。同時(shí)電路板采用六層設(shè)計(jì)，面積小于2．5 cm2，低功耗電流為0．04μA，體現(xiàn)了低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量方案非常靈活，能實(shí)現(xiàn)模塊化，電路設(shè)計(jì)可以移植到許多電容式傳感器的設(shè)計(jì)中去，降低了產(chǎn)品的開發(fā)難度，對(duì)加速產(chǎn)品的研制、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的意義。