采用PSoC的防高压电容测量设计与实现

由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。由于电容元件的本身储能特性，使得人们在测量时总是会因为这样或那样的原因而忘记先放电再测量，导致电容测试仪被烧毁的现象时有发生。因此自电容测量仪诞生以来的过去几十年中，人们就一直在探索既保证电容测量精度的同时又能防高压问题的最佳解决方案。正是基于此，本文介绍了一种基于赛普拉斯的8位PSoC芯片为核心，具有高精度，宽量程，耐高压的电容测量解决方案。

　　PSoC 简述

　　PSoC是Cypress半导体有限公司生产的的可编程片上系统芯片。它主要由8位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加可编程恒流源(IDAC)， I2C，Flash, SRAM等周边外围模块组成，如图1所示。

图1 PSoC的功能框图

　　因此，PSoC除了能实现一般MCU的功能外，还可通过可编程模拟和数字模块灵活地实现嵌入式系统所需的模拟与数字外围功能。为了方便用户简单而快速地实现模拟数字外围功能的设计，Cypress基于可编程数字模拟模块构建了大量的用户模块，如可编程运算放大器，比较器，6至14位的模数和数模转换器，滤波器，8/16 /24/32位定时器/计数器，脉宽调制器，触摸感应等模块。这些用户模块将PSoC内部的寄存器配置，数字模块和模拟模块之间的内部连线，底层API(Application Program InteRFace, 应用程序接口)函数都已设计好了。当用户需要某个数字模拟外围功能时，只需要简单地调用相应的用户模块即可实现。

　　电容容量参数测量方法

　　从数字化与自动化测量角度来讲，电容容量参数测量通常有三种方法：容抗法,振荡法和充电法。

　　容抗法是指利用电容对交流信号源所表现出的阻抗特性，通过测量电容在某一频率下的容抗值，再利用z=1/wc(w为角频率)关系式根据已知信号源的角频率w计算出待测电容容量的方法。这种方法能较好地反映出电容元件交流频率特性，可用来测量电容元件的多方面参数特性，例如容量，介质损耗等，是当前电容测试仪产品应用最广的一种方法。但是，它有一个缺点：电容的充电和放电同处于一个回路之中，要做到既能保证测量精度又能防高压设计比较困难。

　　振荡法是指利用由电阻、电容或电感无源元器件构成的振荡电路，通过测量振荡信号的频率，再利用w=1/RC或w2=/LC关系式，根据已知其它无源元器件参数值计算出待测电容容量的方法。这种方法测量精度一般比较差，而且对振荡电路所需的元件精度与稳定性都要求都很高，因此它主要应用在一些精度要求不高的产品或领域里。

　　充电法是指利用恒流源对待测电容进行充电，通过测量电容电压达到参考电压所需的时间，再利用i=c×dUc/dt关系式算出待测电容容量的方法，如图2所示。由于电流i是恒流源，所以i=c×dUc/dt可以演变为c=i×⊿t/⊿u关系式，这样电容容量c与充电时间就有严格的线性比例关系。测量时只要将最终的计数结果读出来并进行一定的换算就可知道待测电容的容量值。

图2 充电法测量电路图

　　相比容抗与振荡测量方法相比，这种方法具有如下一些特点：一、放电回路与充电回路可以分开。如图2所示，电容充满电后，控制器的放电控制信号置高，N沟道场管导通，CX上的电荷即通过放电电阻R，场管的源漏极对地实现泄放。这种充放电回路分开的拓朴结构对防高压设计是非常有好处的。因为微控制器或外部硬件电路一旦检测到待测电容上存在高压电荷，放电回路就可以打开，实现电容的高压电荷泄放之后再测量，从而对由集成电路构成的高精度测量充电电路元件实行保护。二、成本低，精度高。如图2所示，充电测量电路主要由计数器，比较器和恒流源组成，放电测量电路由一个电阻和NMOS管构成，这种电路结构可使得除了放电电阻和NMOS管不易集成到常用的单芯片系统之外，其它部分都可以集成进去，从而确保整个电路结构简单，外围元器件少。如果系统时钟频率加快，计数器的位数增加，将可以保证整个电容测量电路宽量程，高精度。三、这种电路主要适用于电容容量参数，其它方面的参数测量实现起来是比较困难的;同时如上所述，这种测量电路需要一个比较稳定的恒流源，而且为了实现宽量程，高精度的电容测量功能，这个恒流源还要求具有可编程性，范围宽，以实现在小电容时使用恒定的小电流信号测量来确保测量精度，而大电容使用恒定的大电流信号测量来确保测量速度的要求。

　　根据上面所述的充电法电容参数测量特点，如果需要设计一款只测电容容量参数，而且能防高压的电容测试系统，那么问题的关键就集中到一点：具有一个大范围，高精准，可编程的恒流源。事实上，我们在上面介绍PSoC时已经提到了，PSoC都具有可实现充电法测量电路所需的比较器，计数器之外的可编程模拟和数字模块之外，还具有可编程恒流源(IDAC)硬件资源。因此，基于PSoC来实现一个耐高压，宽量程，高精度，低成本的电容容量测试系统会是一件很容易做到的事情。

　　基于PSoC的防高压电容容量测量方案实现

　　根据我们上面对基于PSoC的防高压电容容量测量方案的可行性，实现拓朴以及PSoC 内部架构的阐述，我们可以知道要实现这一方案需要做如下几部分设计：防高压测量外围电路设计，PSoC模块配置设计和测量软件设计。下面我们将对其分别进行介绍。

　　防高压电容测量外围电路设计

　　图3是基于PSoC进行电容测量的外围电路，充电测量时，PSoC内的IDAC(可编程恒流源)通过Cap test引脚输出恒定电流经过R13,R12分别对待测电容CX和已知电容容量C8充电，Cap test引脚上的电压就会线性增高，一旦达到参考电压Vref时，PSoC内部的比较器就会翻转产生控制信号给PSoC内的微控制器，微控制器就会将计数结果取走进行容值计算与显示，从而容值测量;同时比较器翻转中断信号也会触发放电控制引脚Ctrl置高，将NMOS管导通，为CX,C8提供放电电路。在此还有一个PMOS管未提及的作用。这个PMOS管就是用来专门为了防高压而设计的。当带高压电荷(比VDD电源高的电压电荷)的待测电容CX放到测试夹具进行测试时，PMOS管的源极S电压就变为待测电容上的电压值，由于PMOS管的栅极电压近似为VDD,因此PMOS管就会瞬间导通，一直导通到CX上的电压 低于VDD，PMOS管才会关闭。所以PMOS管构成了高压硬件放电通路，从而确保PSoC不会受到高压电荷长时间的冲击。图中电阻R12为330Ω，PMOS管的工作电流为1A，因此，采用该电路可耐1A×330Ω=330V的高压电荷。330V的耐压指标对普通的电子工程师来讲一般是足够了，因为常用的电子电器产品的交流电为220V。当然如果还需要耐更高的电压信号，可以将R12电阻加大或选择导通电流更大的PMOS管。

图3 电容测量外围电路

　　PSoC模块配置设计

　　图4是PSoC内部模块配置图，如上所述，充电测量电路主要由恒流源，比较器和计数器组成。由于PSoC内部集成了可编程恒流源硬件模块，因此不需要配置，所以我们只需用PSoC内部可编程模块构建比较器和计数器部分。事实上，在PSoC开发软件Designer里已构建好了包括比较器和计数器等大量的用户模块。用户只需在PSoC Designer里选择比较器和计数器，然后放置和参数配置，最后点击底层驱动生成即可完成比较器和计数器的硬件构造和生成供应用程序调用的底层驱动接口应用函数。

 

图4 PSoC内部模块配置图

　　软件设计

　　整个测量系统的软件如图5所示，主要分为主程序和中断处理子程序两部分。

　　主程序流程图 中断处理流程图

图5 电容测量软件流程图

　　该方案具有电路简单，外围元器件少，成本低，耐高压，宽量程，高精度，测量方便等特点，可方便地实现单片电容容量测试产品或子系统。