采樣時間可控的瞬態(tài)小電容檢測電路

王美林，李新娥，艾 良，靳書云

(中北大學，電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051)

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采樣時間可控的瞬態(tài)小電容檢測電路

王美林，李新娥，艾 良，靳書云

(中北大學，電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051)

研制了一種新型的采樣時間可控的瞬態(tài)小電容檢測電路，介紹了檢測電路的主要組成部分及測試原理,分析了瞬態(tài)小電容檢測原理和采樣時間控制原理，給出了Multisim仿真圖和實測實驗圖，實現(xiàn)了采集的電壓值有規(guī)律地與電容變化值精確對應，解決了當前小電容測試系統(tǒng)中存在的采樣時刻具有隨機性，采集的電壓值很難一一對應電容值的變化規(guī)律的問題，為小電容檢測電路提供一種新型的設計方法。

采集存儲；單片機；電容充放電；小電容；瞬態(tài)；振蕩回路

0 引言

在小電容測試系統(tǒng)中[1]，精密檢測電容的微小瞬變過程是關鍵技術，微小瞬變導致電路采樣時刻具有隨機性[2]，最終數(shù)據(jù)不易處理，采集的電壓值與電容值的規(guī)律變化無法精確對應，因此對電容信號的測量電路提出了非?？量痰囊骩3]。國內(nèi)的小電容測量電路輸出的電容信號有2個特點：幅值較小；電容信號是一個瞬態(tài)變化量。目前最先進的電容測量電路是將殼體電容接入電路，并由后級的電壓跟隨器輸出反饋至前級的電壓比較器，使電路自身構成充放電振蕩回路[4]，通過單片機對采樣電路進行控制，測試結束與上位機連接讀數(shù)，通過測量殼體電容兩端電壓變化達到測試目的。該電路對邏輯時序進行了優(yōu)化，電路的不足之處在于采樣時刻具有隨機性，導致最終數(shù)據(jù)不易處理，采集的電壓值很難一一對應電容值的變化規(guī)律，帶來采樣誤差。

針對上述測量電路的不足，在其測量原理優(yōu)點的基礎上提出一種新型的瞬態(tài)小電容檢測電路。

1 瞬態(tài)小電容檢測電路

利用殼體電容作為測試敏感元件，設計了邏輯時序優(yōu)化的瞬態(tài)小電容檢測電路，使得電容檢測從方法上得到進一步改進。

檢測電路主要由采集電路、電源管理模式、MSP430單片機、接口組成。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

實際測試時，壓力由殼體感知[5]，將形變信號變?yōu)殡娙菪盘栟D換后經(jīng)過模擬調(diào)理電路轉換和放大后，輸入到單片機內(nèi)部進行采集和存儲。單片機作為數(shù)據(jù)采集的控制部分，通過片內(nèi)自身的A/D轉換通道，將模擬電路輸出的電壓信號轉換為數(shù)字信號。電壓跟隨器輸出反饋至電壓比較器[6]，使電路自身構成充放電振蕩回路。數(shù)據(jù)存滿預留的存儲器時采樣結束，并自動復位。當系統(tǒng)滿足正常的通信條件時，就可以把測試系統(tǒng)內(nèi)部的測試數(shù)據(jù)通過非接觸式接口很方便地上傳到工作站中，進行后續(xù)處理。

2 采樣時間控制電路原理

2.1 采樣電路邏輯時序

原有的采樣電路邏輯時序如圖2所示。

圖2 原有采樣電路邏輯時序

由圖2可以看出需要高低電平比例為9∶1的充放電信號CON、控制采數(shù)脈沖的事件標志信號ADT以及采數(shù)脈沖PWM波3個邏輯時序，且為了保證A/D采樣轉換的準確性，不能在電容充放電臨界點進行采樣轉換，需要提前一定時間進行采樣轉換，這就對時間的精確性提出了很高的要求，且時鐘之間的延遲也有可能導致采樣的不準確。

改進后采樣電路的邏輯時序如圖3所示。

圖3 改進后采樣電路邏輯時序

由圖3可以看出，只需要一個采樣脈沖PWM波，并且在采樣脈沖下降沿進行采樣。同時，為了采樣信號準確，采樣轉換點選在輸出信號達到最大值前的Δt(Δt=1 μs)點，因為在信號最大值之后，待測電容開始放電，直至兩端電壓為零，這樣避免了誤采。而在本周期的其他時間段內(nèi)，ADC模塊處于采樣狀態(tài)，跟蹤輸出波形的電壓[7]，但不轉換。

原有的采樣電路由于采樣頻率的限制需要兩片單片機采樣以提高采樣頻率，而改進的電路只需要一片單片機進行采樣，使其體積減小、結構簡單、功耗降低。相比以往電路具有一定優(yōu)越性。

2.2 采樣過程分析

采樣控制電路原理如圖4所示。殼體電容C在整個測試過程中的變化范圍是47～52 pF，運放的輸出電壓U=2.5 V，充放電電阻R=19.57 kΩ.

圖4 采樣控制電路原理圖

其工作原理是：當電容C兩端電壓充到稍大于1.5 V時，電壓跟隨器輸出電壓的值與其一致，且該電壓被送至MSP430單片機內(nèi)部的電壓比較器正向輸入端進行比較[8]，使比較器輸出的信號發(fā)生改變，并由單片機某一引腳輸出去控制開關S1的閉合使電容放電。當電容放電使其兩端電壓小于1.5 V時，開關S1在單片機的控制下斷開[9]，電容重新充電直到稍大于1.5 V，如此反復充放電。經(jīng)計算電壓值為0～1.5 V內(nèi)是信號的線性段，所以在這個范圍內(nèi)進行采樣電壓電容值呈線性關系。通過上述分析以及精確計算得到了47 pF、49 pF、52 pF3種電容值一個采樣周期電壓圖形如圖5所示。

圖5 47 pF、49 pF、52 pF 3種電容值電壓時間曲線

從圖5得出，該設計能夠使采集的電壓值有規(guī)律地與電容變化值精確對應，能采集存儲到所有電壓值，可以包含頻率的所有紅利[10]。

3 仿真測試

圖6為電容值為47 pF的Multisim仿真電路的電容充放電波形展開示意圖。圖中矩形波表示采樣波形，矩齒波表示電容的充放電波形，所得的結果和預期的結果基本一致。

圖6 Multisim仿真的電容充放電波形示意圖

4 實測結果

文中所采用的電容式壓力傳感器的電容值變化范圍大致為：47～ 52 pF，總的變化量約5 pF.針對這個電容檢測范圍，文中分別對幾個不同值的電容進行了仿真。由于不同電容在采樣時的充電電壓不同，可以得到不同電容所對應的采樣電壓與采樣電容關系曲線如圖7所示。

圖7 采樣電壓與電容值關系曲線圖從圖7可以看到采樣電壓與電容值基本呈線性關系。電壓值有規(guī)律地與電容變化值一一對應，由此即可證明該測試電路的設計方案是合理可行的。

5 結束語

經(jīng)過測試表明該電路能夠精確地采集到電容值變化從而反映電壓值變化，解決了采樣的隨機性問題，可以廣泛應用于小電容檢測領域。

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Sampling-time Controlled Transient Tiny CapacitanceMeasuring Circuit of Sampled-time Controlled

WANG Mei-lin, LI Xin-e, AI Liang，JIN Shu-yun

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

A new sampling-time controlled transient tiny capacitance measuring circuit was developed. The main part of the detection circuit and the test principle were introduced, and the testing principle of the transient small capacitance detection and the control principle of sampling time were analyzed. The Multisim simulation diagram and the measured experiment diagram were shown. The voltage value corresponds to the capacitance value accurately was realized, solving the problems of the randomness of sampling time existing in the small capacitance measurement system and the problems that the voltage value can not correspond to the capacitance, thus providing a new kind of designing method for small capacitance detection circuit.

collection and storage;single chip microcomputer; charge and discharge of a capacitor;tiny capacitance;transient；oscillation circuit

陳萌(1990—)，碩士研究生。主要研究方向為MEMS傳感器技術。E-mail：chenmeng_413@163．com

2014-04-11 收修改稿日期：2014-11-25

TP212

A

1002-1841(2015)01-0095-02