雙斜波法測(cè)量微小電容電路的研究與設(shè)計(jì)

韓建++何學(xué)蘭+++黃穎

文章編號(hào)： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金項(xiàng)目： 黑龍江省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F201108)。

摘要： 微小電容的測(cè)量技術(shù)成為電容傳感器技術(shù)被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵,針對(duì)目前小電容測(cè)量電路存在的問(wèn)題,提出一種基于測(cè)量三角波斜度的小電容檢測(cè)方法,采用PIC單片機(jī)為主的測(cè)量電路,電容檢測(cè)分辨率可達(dá)0.005 pF。此小電容測(cè)量系統(tǒng)具有高精度和穩(wěn)定度、測(cè)量范圍廣、測(cè)量時(shí)間短的特點(diǎn),適合于實(shí)時(shí)可視化測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 微小電容; 三角波斜度; 寬范圍

中圖分類(lèi)號(hào)： TB 125文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

引言電容式傳感器由于高靈敏度、響應(yīng)快、無(wú)需接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中,用來(lái)測(cè)量各種變化的參數(shù),如液位計(jì)、壓力表、加速度計(jì)、精密定位和表面粗糙度檢測(cè)等［1］。在這些應(yīng)用中電容通常的變化范圍為0.1～100 pF,因此需要有一種小電容檢測(cè)電路,小電容測(cè)量方法有許多種,但實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量還是當(dāng)前技術(shù)的難點(diǎn)。目前的測(cè)量方法有共振法、電橋法、相位法等,在共振法中,因?yàn)長(zhǎng)C電路受諧振頻率所驅(qū)動(dòng),所以信噪比與品質(zhì)因數(shù)成比例［2］;雖然電橋法精度高,但其價(jià)格昂貴而且非線性輸出,尤其是在測(cè)量小電容值時(shí),還易受雜散電容的影響;相位檢測(cè)法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,但是很難選取一個(gè)合適的電阻值以獲得最大的靈敏度。針對(duì)以上情況,本文介紹一種低成本、高靈敏度、測(cè)量范圍大的小電容檢測(cè)電路［3］。1小電容檢測(cè)電路原理根據(jù)當(dāng)前的檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于雙斜波原理的小電容測(cè)量電路，其原理框圖如圖1所示。該測(cè)量電路以基于積分電容上電壓值與參考電壓值比較原理的信號(hào)調(diào)理電路取代了以小電容檢測(cè)芯片PS021為主的信號(hào)調(diào)理電路,它主要由比較器、電源管理模塊、20M高速晶振、PIC單片機(jī)和USB轉(zhuǎn)換接口組成［4］。由分立元件的搭建取代了集成芯片PS021,定時(shí)器對(duì)積分電容的充放電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),得到計(jì)數(shù)值與電容值的關(guān)系式,從而得到電容值的大小。電容傳感器測(cè)量電路如圖2所示,PIC單片機(jī)提供時(shí)序、內(nèi)部參考電壓和比較器來(lái)測(cè)量RC充放電反應(yīng)時(shí)間,電路測(cè)量需要兩個(gè)測(cè)量階段。

光學(xué)儀器第36卷

第2期韓建，等：雙斜波法測(cè)量微小電容電路的研究與設(shè)計(jì)

1.1第一測(cè)量階段第一測(cè)量階段的等效電路和電壓波形圖如圖3所示,CINT是積分電容,CSEN被看作是開(kāi)關(guān)電容電阻,對(duì)積分電容充電,電壓VINT以指數(shù)形式增大逼近VDD,比較器檢測(cè)VINT是否達(dá)到參考電壓VRH,定時(shí)器測(cè)出這段時(shí)間［5］。

圖1小電容檢測(cè)電路示意圖

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit圖2小電容實(shí)現(xiàn)電路

Fig.2Small capacitance circuit

圖3第一測(cè)量階段

Fig.3First measurement

由電容充放電原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW為時(shí)鐘周期,綜合式(1)和式(2)可得定時(shí)器計(jì)數(shù)值:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))CSEN/CINT。VINT從VRL經(jīng)過(guò)k1個(gè)時(shí)鐘周期達(dá)到VRH,VINT實(shí)質(zhì)是由一系列的周期電壓組成,如圖3(b)所示,當(dāng)CINT遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CSEN且采樣為24位A/D時(shí),VINT可以近似成一條曲線,即RC充放電時(shí)間。

1.2第二測(cè)量階段第二測(cè)量階段是校對(duì),使RCAL、CINT、CSEN都接地,電壓VINT以指數(shù)方式遞減至下限參考電壓VRL,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為k2,第二測(cè)量階段等效電路和VINT隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4第二階段測(cè)量

Fig.4Second measurement

在第二測(cè)量階段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)綜合以上方程可知,通過(guò)計(jì)數(shù)值便可知道電容值得大小。2分辨率和測(cè)量結(jié)果分析由于單片機(jī)輸入引腳寄生電容的存在,給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差,當(dāng)CSEN越小時(shí),這種影響會(huì)越明顯,為了減小誤差,把這些寄生電容CPAR看成與CSEN并聯(lián),即k1、k2可以寫(xiě)成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)圖5測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是當(dāng)CSEN小于四倍的CPAR時(shí),分辨率會(huì)受到嚴(yán)重的影響,綜合考慮給出標(biāo)準(zhǔn)分辨率方程:ΔCINTCINT≈Δk1k1?CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1?CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2?CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)由式(6)和式(7)可知:當(dāng)測(cè)出Δk1、Δk2即可知道電容值的變化量。通過(guò)測(cè)量25個(gè)不同大小的電容值,得出測(cè)量值與理論值如圖5所示,由此可以算得誤差大小為:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.002 1 pF左右,誤差較小,符合一般信號(hào)的測(cè)量要求。3結(jié)論本文提出了一種基于充放電原理的小電容測(cè)量電路。通過(guò)應(yīng)用少量固件即可進(jìn)行微小電容的測(cè)量,由于電容一端接地使得并聯(lián)寄生電容值較小,同時(shí)采用三角波電壓測(cè)定法,使得所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路具有時(shí)序計(jì)算精度高、運(yùn)放穩(wěn)定性強(qiáng)、操作過(guò)程簡(jiǎn)便等特點(diǎn),在非接觸測(cè)量微小信號(hào)方面具有開(kāi)發(fā)潛力。參考文獻(xiàn)：

［1］江水,顧明.基于充放電原理實(shí)現(xiàn)的微電容測(cè)量電路［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(3):3031.

［2］馮勇建.MEMS高溫接觸式電容壓力傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(7):804807.

［3］李新娥,馬鐵華,祖靜,等.基于充放電原理的小電容測(cè)量電路［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2012,34(2):4246.

［4］李鍛煉,向平,何明一.抗寄生干擾的小電容測(cè)量電路研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器,1997(7):2832.

［5］邱桂蘋(píng),于曉洋,陳德運(yùn).微小電容測(cè)量電路［J］.黑龍江電力,2006,28(5):362366.

［6］呂海寶,黃銳,楚興春.分布式光纖傳感技術(shù)［J］.光學(xué)儀器,1997,19(3):1117.第36卷第2期2014年4月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.2April, 2014

文章編號(hào)： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金項(xiàng)目： 黑龍江省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F201108)。

摘要： 微小電容的測(cè)量技術(shù)成為電容傳感器技術(shù)被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵,針對(duì)目前小電容測(cè)量電路存在的問(wèn)題,提出一種基于測(cè)量三角波斜度的小電容檢測(cè)方法,采用PIC單片機(jī)為主的測(cè)量電路,電容檢測(cè)分辨率可達(dá)0.005 pF。此小電容測(cè)量系統(tǒng)具有高精度和穩(wěn)定度、測(cè)量范圍廣、測(cè)量時(shí)間短的特點(diǎn),適合于實(shí)時(shí)可視化測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 微小電容; 三角波斜度; 寬范圍

中圖分類(lèi)號(hào)： TB 125文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

引言電容式傳感器由于高靈敏度、響應(yīng)快、無(wú)需接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中,用來(lái)測(cè)量各種變化的參數(shù),如液位計(jì)、壓力表、加速度計(jì)、精密定位和表面粗糙度檢測(cè)等［1］。在這些應(yīng)用中電容通常的變化范圍為0.1～100 pF,因此需要有一種小電容檢測(cè)電路,小電容測(cè)量方法有許多種,但實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量還是當(dāng)前技術(shù)的難點(diǎn)。目前的測(cè)量方法有共振法、電橋法、相位法等,在共振法中,因?yàn)長(zhǎng)C電路受諧振頻率所驅(qū)動(dòng),所以信噪比與品質(zhì)因數(shù)成比例［2］;雖然電橋法精度高,但其價(jià)格昂貴而且非線性輸出,尤其是在測(cè)量小電容值時(shí),還易受雜散電容的影響;相位檢測(cè)法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,但是很難選取一個(gè)合適的電阻值以獲得最大的靈敏度。針對(duì)以上情況,本文介紹一種低成本、高靈敏度、測(cè)量范圍大的小電容檢測(cè)電路［3］。1小電容檢測(cè)電路原理根據(jù)當(dāng)前的檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于雙斜波原理的小電容測(cè)量電路，其原理框圖如圖1所示。該測(cè)量電路以基于積分電容上電壓值與參考電壓值比較原理的信號(hào)調(diào)理電路取代了以小電容檢測(cè)芯片PS021為主的信號(hào)調(diào)理電路,它主要由比較器、電源管理模塊、20M高速晶振、PIC單片機(jī)和USB轉(zhuǎn)換接口組成［4］。由分立元件的搭建取代了集成芯片PS021,定時(shí)器對(duì)積分電容的充放電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),得到計(jì)數(shù)值與電容值的關(guān)系式,從而得到電容值的大小。電容傳感器測(cè)量電路如圖2所示,PIC單片機(jī)提供時(shí)序、內(nèi)部參考電壓和比較器來(lái)測(cè)量RC充放電反應(yīng)時(shí)間,電路測(cè)量需要兩個(gè)測(cè)量階段。

光學(xué)儀器第36卷

第2期韓建，等：雙斜波法測(cè)量微小電容電路的研究與設(shè)計(jì)

1.1第一測(cè)量階段第一測(cè)量階段的等效電路和電壓波形圖如圖3所示,CINT是積分電容,CSEN被看作是開(kāi)關(guān)電容電阻,對(duì)積分電容充電,電壓VINT以指數(shù)形式增大逼近VDD,比較器檢測(cè)VINT是否達(dá)到參考電壓VRH,定時(shí)器測(cè)出這段時(shí)間［5］。

圖1小電容檢測(cè)電路示意圖

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit圖2小電容實(shí)現(xiàn)電路

Fig.2Small capacitance circuit

圖3第一測(cè)量階段

Fig.3First measurement

由電容充放電原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW為時(shí)鐘周期,綜合式(1)和式(2)可得定時(shí)器計(jì)數(shù)值:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))CSEN/CINT。VINT從VRL經(jīng)過(guò)k1個(gè)時(shí)鐘周期達(dá)到VRH,VINT實(shí)質(zhì)是由一系列的周期電壓組成,如圖3(b)所示,當(dāng)CINT遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CSEN且采樣為24位A/D時(shí),VINT可以近似成一條曲線,即RC充放電時(shí)間。

1.2第二測(cè)量階段第二測(cè)量階段是校對(duì),使RCAL、CINT、CSEN都接地,電壓VINT以指數(shù)方式遞減至下限參考電壓VRL,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為k2,第二測(cè)量階段等效電路和VINT隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4第二階段測(cè)量

Fig.4Second measurement

在第二測(cè)量階段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)綜合以上方程可知,通過(guò)計(jì)數(shù)值便可知道電容值得大小。2分辨率和測(cè)量結(jié)果分析由于單片機(jī)輸入引腳寄生電容的存在,給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差,當(dāng)CSEN越小時(shí),這種影響會(huì)越明顯,為了減小誤差,把這些寄生電容CPAR看成與CSEN并聯(lián),即k1、k2可以寫(xiě)成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)圖5測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是當(dāng)CSEN小于四倍的CPAR時(shí),分辨率會(huì)受到嚴(yán)重的影響,綜合考慮給出標(biāo)準(zhǔn)分辨率方程:ΔCINTCINT≈Δk1k1?CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1?CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2?CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)由式(6)和式(7)可知:當(dāng)測(cè)出Δk1、Δk2即可知道電容值的變化量。通過(guò)測(cè)量25個(gè)不同大小的電容值,得出測(cè)量值與理論值如圖5所示,由此可以算得誤差大小為:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.002 1 pF左右,誤差較小,符合一般信號(hào)的測(cè)量要求。3結(jié)論本文提出了一種基于充放電原理的小電容測(cè)量電路。通過(guò)應(yīng)用少量固件即可進(jìn)行微小電容的測(cè)量,由于電容一端接地使得并聯(lián)寄生電容值較小,同時(shí)采用三角波電壓測(cè)定法,使得所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路具有時(shí)序計(jì)算精度高、運(yùn)放穩(wěn)定性強(qiáng)、操作過(guò)程簡(jiǎn)便等特點(diǎn),在非接觸測(cè)量微小信號(hào)方面具有開(kāi)發(fā)潛力。參考文獻(xiàn)：

［1］江水,顧明.基于充放電原理實(shí)現(xiàn)的微電容測(cè)量電路［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(3):3031.

［2］馮勇建.MEMS高溫接觸式電容壓力傳感器［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(7):804807.

［3］李新娥,馬鐵華,祖靜,等.基于充放電原理的小電容測(cè)量電路［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2012,34(2):4246.

［4］李鍛煉,向平,何明一.抗寄生干擾的小電容測(cè)量電路研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器,1997(7):2832.

［5］邱桂蘋(píng),于曉洋,陳德運(yùn).微小電容測(cè)量電路［J］.黑龍江電力,2006,28(5):362366.

［6］呂海寶,黃銳,楚興春.分布式光纖傳感技術(shù)［J］.光學(xué)儀器,1997,19(3):1117.第36卷第2期2014年4月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.2April, 2014

文章編號(hào)： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金項(xiàng)目： 黑龍江省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F201108)。

摘要： 微小電容的測(cè)量技術(shù)成為電容傳感器技術(shù)被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵,針對(duì)目前小電容測(cè)量電路存在的問(wèn)題,提出一種基于測(cè)量三角波斜度的小電容檢測(cè)方法,采用PIC單片機(jī)為主的測(cè)量電路,電容檢測(cè)分辨率可達(dá)0.005 pF。此小電容測(cè)量系統(tǒng)具有高精度和穩(wěn)定度、測(cè)量范圍廣、測(cè)量時(shí)間短的特點(diǎn),適合于實(shí)時(shí)可視化測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 微小電容; 三角波斜度; 寬范圍

中圖分類(lèi)號(hào)： TB 125文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

引言電容式傳感器由于高靈敏度、響應(yīng)快、無(wú)需接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中,用來(lái)測(cè)量各種變化的參數(shù),如液位計(jì)、壓力表、加速度計(jì)、精密定位和表面粗糙度檢測(cè)等［1］。在這些應(yīng)用中電容通常的變化范圍為0.1～100 pF,因此需要有一種小電容檢測(cè)電路,小電容測(cè)量方法有許多種,但實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量還是當(dāng)前技術(shù)的難點(diǎn)。目前的測(cè)量方法有共振法、電橋法、相位法等,在共振法中,因?yàn)長(zhǎng)C電路受諧振頻率所驅(qū)動(dòng),所以信噪比與品質(zhì)因數(shù)成比例［2］;雖然電橋法精度高,但其價(jià)格昂貴而且非線性輸出,尤其是在測(cè)量小電容值時(shí),還易受雜散電容的影響;相位檢測(cè)法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,但是很難選取一個(gè)合適的電阻值以獲得最大的靈敏度。針對(duì)以上情況,本文介紹一種低成本、高靈敏度、測(cè)量范圍大的小電容檢測(cè)電路［3］。1小電容檢測(cè)電路原理根據(jù)當(dāng)前的檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于雙斜波原理的小電容測(cè)量電路，其原理框圖如圖1所示。該測(cè)量電路以基于積分電容上電壓值與參考電壓值比較原理的信號(hào)調(diào)理電路取代了以小電容檢測(cè)芯片PS021為主的信號(hào)調(diào)理電路,它主要由比較器、電源管理模塊、20M高速晶振、PIC單片機(jī)和USB轉(zhuǎn)換接口組成［4］。由分立元件的搭建取代了集成芯片PS021,定時(shí)器對(duì)積分電容的充放電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),得到計(jì)數(shù)值與電容值的關(guān)系式,從而得到電容值的大小。電容傳感器測(cè)量電路如圖2所示,PIC單片機(jī)提供時(shí)序、內(nèi)部參考電壓和比較器來(lái)測(cè)量RC充放電反應(yīng)時(shí)間,電路測(cè)量需要兩個(gè)測(cè)量階段。

光學(xué)儀器第36卷

第2期韓建，等：雙斜波法測(cè)量微小電容電路的研究與設(shè)計(jì)

1.1第一測(cè)量階段第一測(cè)量階段的等效電路和電壓波形圖如圖3所示,CINT是積分電容,CSEN被看作是開(kāi)關(guān)電容電阻,對(duì)積分電容充電,電壓VINT以指數(shù)形式增大逼近VDD,比較器檢測(cè)VINT是否達(dá)到參考電壓VRH,定時(shí)器測(cè)出這段時(shí)間［5］。

圖1小電容檢測(cè)電路示意圖

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit圖2小電容實(shí)現(xiàn)電路

Fig.2Small capacitance circuit

圖3第一測(cè)量階段

Fig.3First measurement

由電容充放電原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW為時(shí)鐘周期,綜合式(1)和式(2)可得定時(shí)器計(jì)數(shù)值:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))CSEN/CINT。VINT從VRL經(jīng)過(guò)k1個(gè)時(shí)鐘周期達(dá)到VRH,VINT實(shí)質(zhì)是由一系列的周期電壓組成,如圖3(b)所示,當(dāng)CINT遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CSEN且采樣為24位A/D時(shí),VINT可以近似成一條曲線,即RC充放電時(shí)間。

1.2第二測(cè)量階段第二測(cè)量階段是校對(duì),使RCAL、CINT、CSEN都接地,電壓VINT以指數(shù)方式遞減至下限參考電壓VRL,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為k2,第二測(cè)量階段等效電路和VINT隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4第二階段測(cè)量

Fig.4Second measurement

在第二測(cè)量階段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)綜合以上方程可知,通過(guò)計(jì)數(shù)值便可知道電容值得大小。2分辨率和測(cè)量結(jié)果分析由于單片機(jī)輸入引腳寄生電容的存在,給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差,當(dāng)CSEN越小時(shí),這種影響會(huì)越明顯,為了減小誤差,把這些寄生電容CPAR看成與CSEN并聯(lián),即k1、k2可以寫(xiě)成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)圖5測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是當(dāng)CSEN小于四倍的CPAR時(shí),分辨率會(huì)受到嚴(yán)重的影響,綜合考慮給出標(biāo)準(zhǔn)分辨率方程:ΔCINTCINT≈Δk1k1?CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1?CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2?CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)由式(6)和式(7)可知:當(dāng)測(cè)出Δk1、Δk2即可知道電容值的變化量。通過(guò)測(cè)量25個(gè)不同大小的電容值,得出測(cè)量值與理論值如圖5所示,由此可以算得誤差大小為:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.002 1 pF左右,誤差較小,符合一般信號(hào)的測(cè)量要求。3結(jié)論本文提出了一種基于充放電原理的小電容測(cè)量電路。通過(guò)應(yīng)用少量固件即可進(jìn)行微小電容的測(cè)量,由于電容一端接地使得并聯(lián)寄生電容值較小,同時(shí)采用三角波電壓測(cè)定法,使得所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路具有時(shí)序計(jì)算精度高、運(yùn)放穩(wěn)定性強(qiáng)、操作過(guò)程簡(jiǎn)便等特點(diǎn),在非接觸測(cè)量微小信號(hào)方面具有開(kāi)發(fā)潛力。參考文獻(xiàn)：

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