采用电容检测芯片PS021的小电容测量电路设计

介绍

电容式传感器是一种将被测变化转换为电容变化的器件，在很多领域得到了广泛的应用。具有结构简单、温度稳定性好、分辨率高、动态响应好等优点，可在高温、辐射、强振动等恶劣条件下工作。

由于电容式传感器输出的电容信号很小（1 fF～10 pF），并且存在传感器及其连接线的杂散电容和寄生电容的影响，所以测量电路必须满足大动态的要求。量程、高低测量灵敏度 对噪声和抗杂散的要求。

目前，国内外对10 pF以下电容的测量存在很大困难。测量电路多采用电荷转移法或交流法，将电容转换为电压或电流。电路经常受到电子开关的电荷注入效应的影响。而提高测量速度和提高分辨率之间的矛盾也难以解决。

本文拟采用德国ACAM公司通用电容检测芯片PS021芯片设计小电容测量电路。该芯片将电容测量转换为精确的时间测量。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也能保证良好的稳定性，在10Hz的刷新频率下即可达到。有效精度为6 aF，最高刷新率可达50 kHz，高精度和高刷新率可以缓解测量速度和分辨率的矛盾。

1 微电容测量模块

整体设计原理框图如图1所示，主要由承压外壳、电源管理电路、PS021芯片、单片机组成。

PS021芯片将承压壳变化产生的电容信号转换成对应的16位数字量；MSP430单片机通过SPI接口控制PS021，将数据存储在MSP430闪存中；数据采集完成后，通过红外模块传输到电脑中，使用VisualBasie6.O软面板显示测量结果曲线；电源管理部可为MSP430和PS021提供分时可控电源。

1.1 PS021的主要特点

PS021芯片基于TDC技术，是一款全集成的超低功耗、超高精度测量芯片。这种数字测量原理提供了非常高的测量灵活性，测量范围广，有效精度可达22位。该芯片可以通过SPI兼容串口与单片机或DSP进行通信。它还具有独立的温度测量端口和寄生电容补偿电路。它是一款高端芯片，可用于压力传感器、加速度传感器和间隙测量。

1.2 测量原理

感测电容和参考电容与电阻连接形成低通滤波器。PS021控制模拟开关的通断，两者的导通时间相等，两个电容在导通时间内依次充放电。放电至相同电压的时间将由高精度 TDC 测量。

参考电容充放电实测τ1=RCref，传感器电容充放电实测τ2=RCsensor，根据芯片内部算法，τ2/τ1=Csensor/Cref，其中Cref为已知电容，最后为16位得到效果数据。实现传感器电容的测量。PS021控制模拟开关，使两个电容重复充放电，然后计算出电容测量值的比值。如图 2 所示，该图是通过在时间轴上移动两个电容器之一的充放电曲线的导通时间而获得的。图中的ns级间隔对应两个电容的差值。当传感器处于初始状态时，参考端的电容基本等于传感器的初始电容，两者的充放电曲线可以通过平移基本重叠；当被测电容发生变化时，图中的ns级间隔△t对应于两个电容的差值。△C的值，或者说电容△C的变化，会导致放电时间△t的延迟。

2 测量系统电路设计

2.1 系统状态设计

为了实现低功耗，系统上电后进入超低功耗状态，需要外部电平信号唤醒。系统状态设计如图3所示。为避免系统误动作，当需要测量电容信号时，触发信号设置为高电平。若触发信号在 15 s 内始终为高电平，则系统进入循环采集存储状态。为了获得包括触发前后的完整电容信号曲线，一旦电容信号达到预设触发值，系统就进入触发状态，并将电容信号存储在闪存中。闪存满后，将RAM中的FIFO数据导入闪存保留地址。

2.2 控制模块

测量电路需要一个控制芯片来控制数据的读写。由于PS021的外围接口为SPI，控制部分采用美国TI公司的超低功耗微控制器MSP-430FG4618，具有8 kB RAM和113 kB闪存。工作时，在SPI通讯无误后，单片机负责发送读写命令设置PS021并控制其测量的开始和停止，并接收和存储数字信号，实现数字内部触发。RAM 循环存储触发前的采样数据，触发后将数据存储到闪存中。采集完成后，数据存储实现2 kB的负延迟。

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，单片机及时控制不同模块的电源开关状态，为其供电或切断电源，从而达到省电。如图4所示，电路电源选用LDO芯片LP5966输出两个独立的3.3V电压：VDD=3.3V提供单片机的电源电压，其电源使能常开，LVDD=3.3 V给PS021供电，ONA控制其开关状态：选择电荷泵芯片MAX1595输出HVDD=5V给PS021，ONB控制其开关状态；两个芯片的电源直接由电池提供。

4 测量

当电路用于内部弹道压力测试系统的电容式压力计时，将22 cm3测试系统置于爆炸压力场中。

5 结论

该电路用于内部弹道压力测试系统，取得了良好的效果。该电路以10 kHz的刷新频率完整记录了爆炸前后电容信号的变化曲线。同时，电路板采用六层设计，面积小于2.5cm2，低功耗电流0.04μA，体现了低功耗、小尺寸的优势。测量方案非常灵活，可以模块化。该电路设计可以移植到很多电容传感器的设计中，降低了产品开发的难度，对加快产品开发、降低生产成本具有重要意义。