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。闡述了測量電路的基本原理、具體實現和各模塊功能，并且通過測量0～5 pF范圍的動態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，目前已在多個領域得到廣泛應用。它具有結構簡單、溫度穩定性好、分辨力高、動態響應好，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優點。
由于電容式傳感器輸出的電容信號很小(1 fF～10 pF)，同時存在傳感器及其連接導線雜散電容和寄生電容的影響，這就需要測量電路必須滿足動態范圍大、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關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生的電容信號轉換成相應的16位數字量；MSP430單片機通過SPI接口對PS021進行控制，并將數據存入MSP430的閃存；數據采集完畢之后通過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；電源管理部可對MSP430和PS021進行分時可控供電。
1．1 PS021主要特性
PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter時間數字轉換器)技術而產生，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SPI兼容的串行口，與單片機或DSP進行通信。同時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低通濾波器。PS021控制模擬開關輪流通斷，二者導通時間相等，兩個電容依次輪流在導通時間內充放電。放電到相同電壓的時間將會被高精度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，從而實現了對傳感器電容的測量。PS021控制模擬開關使得充放電重復在兩個電容進行，然后計算出電容測量值的比值。如圖2所示，該曲線圖是由兩個電容之一的充放電曲線在時間軸上平移導通時間而得，圖中ns級的間隔對應兩個電容的差值。當傳感器處于初始狀態時，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；當被測電容變化時，圖中ns級的間隔△t對應兩個電容的差值△C，或者電容的變化△C引起放電時間的延遲△t。