基于PS021微小电容低功耗测量电路的设计

0 引言
    电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，目前已在多个领域得到广泛应用。它具有结构简单、温度稳定性好、分辨力高、动态响应好，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点。
    由于电容式传感器输出的电容信号很小(1 fF～10 pF)，同时存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这就需要测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。
    目前，国内外在测量10 pF以下的电容都存在很大的困难，测量电路多是采用电荷转移法或交流法，即将电容量转换为电压或电流，电路往往受到电子开关的电荷注入效应的影响，并且其提高测量速度和提高分辨力的矛盾难以解决。
    本文拟采用德国ACAM公司的通用电容检测芯片PS021芯片进行微小电容测量电路的设计。该芯片把电容测量转化为精确的时间测量，内部算法可以很好地抑制寄生电容对测量结果的影响，芯片集成的温度补偿模块还能保证很好的稳定性，在10 Hz刷新频率时能够达到6 aF的有效精度，最高刷新频率可达50 kHz，高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨力的矛盾。

1 微小电容测量模块
    总体设计原理框图如图1所示，主要有承压壳体、电源管理电路、PS021芯片、单片机几部分组成。

    PS021芯片将承压壳体变化产生的电容信号转换成相应的16位数字量；MSP430单片机通过SPI接口对PS021进行控制，并将数据存入MSP430的闪存；数据采集完毕之后通过红外模块传到计算机中，使用VisualBasie6．O软面板显示测量结果曲线；电源管理部可对MSP430和PS021进行分时可控供电。
1．1 PS021主要特性
    PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter时间数字转换器)技术而产生，使之成为一种完全集成的超低功耗、超高精度测量芯片。这种数字测量原理提供非常高的测量灵活性，具有很宽的测量范围，有效精度位最高可达22位。芯片可以通过SPI兼容的串行口，与单片机或DSP进行通信。同时具有独立的温度测量端口、寄生电容补偿电路，是一款可用于压力传感器、加速度传感器、间隙测量的高端芯片。
1．2 测量原理
    感应电容和参考电容与电阻相连接形成了一个低通滤波器。PS021控制模拟开关轮流通断，二者导通时间相等，两个电容依次轮流在导通时间内充放电。放电到相同电压的时间将会被高精度TDC所测量。
    参考电容充放电测得τ1=RCref，传感器电容充放电测得τ2=RCsensor，根据芯片内部算法计算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref为已知电容，最后得到16位的效据，从而实现了对传感器电容的测量。PS021控制模拟开关使得充放电重复在两个电容进行，然后计算出电容测量值的比值。如图2所示，该曲线图是由两个电容之一的充放电曲线在时间轴上平移导通时间而得，图中ns级的间隔对应两个电容的差值。当传感器处于初始状态时，参考端电容基本等于传感器的初始电容，两者充放电曲线通过平移基本上能够重合；当被测电容变化时，图中ns级的间隔△t对应两个电容的差值△C，或者电容的变化△C引起放电时间的延迟△t。

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2 测量系统电路设计
2．1 系统状态设计
    为实现低功耗，系统在上电后进入超低功耗状态，需要外部电平信号才能唤醒。系统的状态设计如图3，为了避免系统的误动作，当需要测量电容信号时，将触发信号置为高，如果15 s内触发信号一直为高，则系统进入循环采集存储的状态。为得到包括触发前和触发后的完整电容信号曲线，一旦电容信号达到预设的触发值，系统便进入触发态，将电容信号存储到闪存，闪存存满后，将RAM中的FIFO数据导入闪存预留地址。
2．2 控制模块
   测量电路需要控制芯片来控制数据的读取和写入，由于PS021的外围接口是SPI，所以控制部分采用美国TI公司的超低功耗微控制器MSP-430FG4618，它具有8 kB的RAM和113 kB的闪存。工作时，在SPI通信正确之后，单片机负责发送读写命令设置PS021并控制其测量的启停，并接收存储数字信号，实现数字内触发。触发前RAM循环存储采样数据，触发后将数据存入闪存中，采集完毕时数据存储实现2 kB的负延时。
2．3 电源管理模块
    为实现低功耗设计，在系统的各个工作环节中，由单片机适时控制不同模块的供电开关状态，为其提供电源或者切除电源，从而达到省电的目的。如图4所示，电路供电选用LDO芯片LP5966输出两个独立的3．3 V电压：VDD=3．3 V供给单片机电源电压，其供电使能一直开着，LVDD=3．3 V供给PS021，由ONA控制其开关状态；选用电荷泵芯片MAX1595输出HVDD=5 V供给PS021，由ONB控制其开关状态；两个芯片的供电直接由电池提供。

2．4 数据读取模块
    数据传输采用SHARP公司生产的GP2W0116YPS红外模块，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高的特点。可实现与计算机的无线数据通信，它支持红外IrDA1．2的标准，数据传播速率2．4 kb／s～115．2 kb／s。[page]

3 系统软件设计
    在系统设计中，主要通过软件实现控制功能，控制数据的采集和传输，采用C语言对单片机编程，程序可读性强，方便移植。主程序流程图如图5所示。

    主程序结构很简单，系统电源上电，关闭看门狗，I／O口初始化，进入低功耗状态LPM4，等待上电中断、计算机读数请求中断，中断响应完毕后均返回低功耗状态LPM4。


4 测量
    将电路用于内弹道压力测试系统电容式测压器时，将22 cm3的测试系统置于燃爆压力场中，得到测量曲线如图6所示。

5 结论
    将电路用于内弹道压力测试系统中，取得了较好的效果，电路在10 kHz的刷新频率下，完整记录了爆炸前后的电容信号变化曲线。同时电路板采用六层设计，面积小于2．5 cm2，低功耗电流为0．04μA，体现了低功耗、体积小等优点。测量方案非常灵活，能实现模块化，电路设计可以移植到许多电容式传感器的设计中去，降低了产品的开发难度，对加速产品的研制、降低生产成本具有非常重要的意义。