基于TDC的一種微小電容高精度測量系統(tǒng)設計

夏凌云

(中國石油大學(華東) 網(wǎng)絡及教育技術中心，山東青島 266580)

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基于TDC的一種微小電容高精度測量系統(tǒng)設計

夏凌云

(中國石油大學(華東) 網(wǎng)絡及教育技術中心，山東青島 266580)

針對電容原理傳感器中對微小電容的測量要求，利用Pcap Φ2芯片具有的高精度計時能力，設計了一個基于時間-數(shù)字轉換的微小電容高精度測量系統(tǒng)。詳細闡述了整個測量系統(tǒng)的實現(xiàn)原理和軟硬件設計方法，給出了內部和外部寄生電容的補償方法，并提出了一個適用于大多電容傳感器設計的一個外圍電路較為簡單的高集成度單芯片解決方案。

電容傳感器；時間-數(shù)字轉換；Pcap Φ2；寄生電容補償

0 引言

在工業(yè)傳感器設計中，有許多對微小電容的測量需求，比如電容式物位傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器和MEMS傳感器等。以往在這些高精度傳感器設計中，微小電容的測量一般常用恒流源充電法和交流鎖相放大法來進行測量[1]。恒流源充電法電路簡單，成本較低，但是精度較低，而交流鎖相放大法理論精度雖然很高，但是電路設計復雜，并由于對信號源精度的要求較高，成本也高，頻率和測量范圍擴展性受限。在當前的微電子系統(tǒng)設計技術下，有將上述外圍電路和測量器件集成化的趨勢，比如前期已有CAV444和AD7746之類的產(chǎn)品推出，簡化了相關傳感器的設計。國內學者對這些產(chǎn)品也進行了相關研究，總結了其優(yōu)缺點[2]。比如AD7746外圍電路簡單，但精度還不夠高，測量范圍比較小，而CAV444有高測量范圍，但是外圍電路比較復雜[3]。經(jīng)過對多種方案的對比和考察，發(fā)現(xiàn)Pcap Φ2芯片具有超高精度的時間-數(shù)字轉換(TDC，Time to Digital Convert)能力，同時還集成了高速DSP和其他測量組件，為微小電容的測量提供了一個較為簡單和低成本的單芯片解決方案。

1 TDC測量電容原理

利用高精度的時間-數(shù)字轉換器測量電路原理比較簡單，將待測電容和一個溫度穩(wěn)定性好的基準電容通過多路開關串聯(lián)到一個放電電阻，形成一個RC充放電電路。通過對該RC電路進行預充電到接近系統(tǒng)VDD的電平V0，然后接地進行RC放電，記錄下電平從V0下降到閾值電平Vth的時間，如圖1所示。

圖1 TDC測量放電時間

根據(jù)RC電路充放電公式，RC電路時間常數(shù)τ=R·C，因此在同一個放電電阻下，RC電路的放電時間與電容值C成正比。這樣一來，通過分別測量待測電容和基準電容從V0到Vth的放電時間，就能得到待測電容與參考電容的容值比。由于是利用參考電容和待測電容的容值比例來測量和表示待測電容值，因此只要在合理設計測量電路的基礎上,適當選擇參考電容和放電電阻阻值，再配合高精度的時間測量，理論上能夠做到大測量范圍和高測量精度的電容值檢測。

2 TDC測量模塊設計

2.1 Pcap Φ介紹

利用TDC原理測量電容的關鍵點在于對RC電路的放電時間高精度計時,而Pcap Φ2在其電容-數(shù)字轉換單元(CDC Unit)內集成的精度大于0.03 ns的TDC恰恰滿足了這一測量要求。并且如圖2[4]所示，Pcap Φ2還是一個高集成度的芯片，其內部集成了一個48位的DSP，可運行下載到SRAM(Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機存儲器)和OTP(One Time Programmable，一次性可編程存儲器)存儲器里的標準固件或開發(fā)者自行開發(fā)的測量固件，對電容-數(shù)字轉換單元和電阻-數(shù)字轉換單元(RDC Unit)的初次結果進行二次計算和補償。RDC單元一般用于連接熱電偶或溫敏電阻，與電容C0G構成RC電路，同樣使用TDC原理進行電阻測量，典型使用PT1000傳感器時，解析度能達到0.005 K，足以滿足工作溫度校正和補償算法需要[5]。Pcap Φ2芯片內部的配置寄存器和參數(shù)寄存器主要用于對CDC單元、RDC單元、系統(tǒng)時鐘等等內部硬件模塊進行配置，還有一部分是作為DSP固件運行所需要的初始化參數(shù)。這些寄存器即可以在系統(tǒng)上電以后寫入和更改，也可以一次性寫入OTP，在上電復位時映射到對應寄存器中以備取用。

圖2 Pcap Φ2內部框圖

2.2 傳感器測量電路設計

得益于Pcap Φ2的高集成度設計，并且由于芯片內部已經(jīng)集成了一系列放電電阻、基準電容和控制用的多路開關，以Pcap Φ2為核心設計的測量電路比較簡單，在原理圖設計和PCB設計上盡量注意減少引入導線和接插件的寄生電容即可。測量電路原理圖見圖3[3]。

圖3 測量電路原理圖

由圖3可見，系統(tǒng)內部已集成了可選的放電電阻陣列，PC8和PC9為內部基準電容，可以以1 pF的步進從1 pF調整至31 pF，不過為了增加測量范圍和提高精度，還是建議在系統(tǒng)設計時引入外部基準電容Cref。Pcap Φ2支持單端接地方式和雙端懸浮方式的電容測量，為了能充分進行內部和外部補償算法，建議使用雙端懸浮的測量方式。在PC0和PC1之間連接外部基準電容Cref，此時PC2-PC7最多可以連接3個待測傳感器。

2.3 寄生電容補償方法

在微小電容的精密測量電路中，引入的外部導線寄生電容和芯片內部自帶的寄生電容是造成測量誤差的重要因素，國內外很多學者也在這方面做了很多深入研究[6-7]。在本方案中，還可以利用芯片內部集成的數(shù)字開關和補償算法，對測量結果進行寄生電容補償，如圖4所示。圖4(a)中，A0，A1，B0和B1 4個電子開關都被斷開，TDC模塊僅測量芯片內部寄生電容Cint的大小以做內部補償使用；圖4(b)為測量系統(tǒng)外接帶屏蔽的測量導線電路等效圖；圖4(c)，圖4(d)，圖4(e)表示了通過分別對A0和A1以及B0和B1電子開關進行控制，依次對外接導線引入的寄生電容Cpex和浮動接入的待測電容進行測量的測量序列。如此一來，DSP固件可以利用子圖4(a)、圖4(c)、圖4(d)中的測量結果對圖4(d)的結果進行校正和補償。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

3 測量系統(tǒng)設計

3.1 測量系統(tǒng)硬件框架

測量系統(tǒng)整體硬件組成如圖5所示，系統(tǒng)主控制器采用LPC1766芯片，該芯片為32位ARM Cortex-M3內核微控制器，提供了豐富I/O和總線接口，其低功耗和高處理能力為待測電容的二次數(shù)據(jù)處理提供了基礎，并通過Pcap Φ2提供的SPI接口和I/O終端接口與之通訊。人機界面負責為整個系統(tǒng)提供初始化設置、測量結果顯示等交互功能。由于電容測量時的高穩(wěn)定供電要求，供電系統(tǒng)分為2部分，Pcap Φ2的供電采用3.3 V鈕扣電池單獨供電，其余部分采用12 V開關電源加三端穩(wěn)壓芯片的模式供應3.3 V電源，并且這兩部分電源的GND采用磁珠隔離，以降低兩個供電部分的相互干擾。

圖5 實驗系統(tǒng)硬件設計

3.2 測量系統(tǒng)軟件設計

測量系統(tǒng)軟件框架如圖6所示，首先由LPC1766執(zhí)行整個系統(tǒng)硬件的初始化設置；隨后LPC1766通過SPI總線設置Pcap Φ2的寄存器，配置電容測量系統(tǒng)的相關參數(shù)，如：采樣率、放電電阻阻值、有效采樣通道、DSP固件運行方式等；然后通過SPI接口向Pcap Φ2的SRAM中寫入已準備好的DSP固件；再通過指令復位DSP，讓其讀入配置寄存器，并運行固件開始預訂的測量序列；在循環(huán)測量開始后，每次DSP的測量和內部計算完畢，都會有狀態(tài)寄存器的相應置位或I/O管腳的中斷輸出，提示LPC1766本次測量結束和數(shù)據(jù)準備完成，其中最主要的數(shù)據(jù)就是待測電容與參考電容的比值，一個3 bit整數(shù)和21 bit二進制小數(shù)的無符號定點數(shù)，其十進制最小值為0.000 000 0，最大值為7.999 999 5。LPC1766讀入這些數(shù)據(jù)后，可以對其進行二次整理和顯示輸出。最后LPC1766會繼續(xù)等待下一次測量結束，從而完成系統(tǒng)循環(huán)。

圖6 實驗系統(tǒng)軟件框圖

3.3 系統(tǒng)的單芯片最小化運行方法

Pcap Φ2的OTP存儲器不但可以存儲系統(tǒng)固件，還可以與配置寄存器做映射，如此一來，在上述實驗系統(tǒng)對應某個待測電容或傳感器調整好最終的固件和配置參數(shù)后，可以將該固件和參數(shù)寫入OTP寄存器。這樣的話，該系統(tǒng)將不在需要LPC1766外部干預，而是可以依靠內部DSP直接從OTP啟動并讀入配置參數(shù)自行運行。Pcap Φ2自帶的I/O口最高支持16位分辨率的PDM(Pulse-Density Modulated，脈沖密度調制)輸出功能，通過指定Cx/Cref值的輸出零點b和輸出斜率m，以線性的方式將Cx/Cref值通過PDM方式輸出到對應I/O端口上。公式如下：

y=mx+b

實際的PDM輸出頻率f如下公式：

f=fmax·y/ 216

式中fmax為指定的PDM最大值(一般為100 kHz)。

所以，利用上述特性，可以將LPC1766和Pcap Φ2的SPI接口設計為可拆卸的排線或者接插件方式，在通過LPC1766和人機界面調試完系統(tǒng)固件和配置文件后，可以將固件和配置下載到OTP中，讓系統(tǒng)獨立運行并將結果以標準的PDM格式輸出。

4 結束語

本文介紹了一種高度集成的基于TDC的微小電容測量方法，不僅在實驗系統(tǒng)中取得了較好的測量效果，并且由于其單芯片最小化運行方式不但具有較高的測量準確精度，并且具有標準的PDM輸出方式和低功耗特性(在13位分辨率和2.5 Hz采樣頻率下，工作電流低至2.5 μA)，是一種能很容易推廣到很多工業(yè)電容原理傳感器(位置、濕度、壓力、加速度甚至MEMS傳感器等)設計的高精度、低成本和高集成度的一體化解決方案。

[1] 邱桂蘋．微小電容測量電路.黑龍江電力，2006(10) : 362-366．

[2] 程濤，莊杰，閻錫蘊，等.高靈敏度電容式生物傳感器的設計.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(8):84-86．

[3] 施林生，RAUCH N.電容式信號線性轉換電壓輸出的應用電路CAV444 .儀表技術與傳感器，2009(7):106-107.

[4] 德國acam公司.PICOCAP 數(shù)據(jù)手冊 DB_PCap02A_Vol1_en [EB/OL].[2014-05-29]．http://www.acam.de．

[5] 楊三序，李曉偉，王業(yè)正.電容傳感器測量電路的溫度補償.傳感器與微系統(tǒng)，2007,26(7)：64-66.

[6] 李杏華，樊玉銘，李軍強.電容傳感器處理電路.天津大學學報,2008,41(7)：1391-1394.

[7] 張印強，楊道業(yè).高精度微弱電容檢測系統(tǒng)的設計.計算機測量與控制，2013,20(12)：3207-3209.

Design of High Precision Capacitance Measuring System Based on TDC

XIA Ling-yun

(Network and Education Technology Center in China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China)

For weak signal capacitance measurement of the capacitance sensors,a new small capacitance and high precision measurement system based on Time-Digital Conversion principle using the high precision time measurement ability of Pcap Φ2 was designed. And the principle and design method of the software and hardware to achieve the purpose of the measurement system was described in detail,and the compensation method of the internal and external parasitic capacitance was presented. And a simple chip solution with high integration level was put forward which is suitable for most of the capacitance sensor research and development.

capacitance sensor；time-digital conversion； Pcap Φ2;compensation of parasitic capacitance

2015-04-16 收修改稿日期：2015-06-30

TP216

A

1002-1841(2015)11-0101-04

夏凌云(1980—),碩士研究生，工程師，主要研究互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和傳感器網(wǎng)絡技術。 E-mail：xialy@upc.edu.cn