Entwurf einer kleinen Kapazitätsmessschaltung unter Verwendung des Kapazitätserkennungschips PS021

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Kapazitive Sensoren sind Vorrichtungen, die gemessene Änderungen in Kapazitätsänderungen umwandeln und in vielen Bereichen weit verbreitet sind. Es hat die Vorteile einer einfachen Struktur, einer guten Temperaturstabilität, einer hohen Auflösung und einer guten dynamischen Reaktion und kann unter rauen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Strahlung und starken Vibrationen arbeiten.

Da das vom kapazitiven Sensor ausgegebene Kapazitätssignal sehr klein ist (1 fF bis 10 pF) und der Einfluss der Streukapazität und parasitären Kapazität des Sensors und seiner Anschlussleitung besteht, muss die Messschaltung den Anforderungen einer großen Dynamik genügen . Reichweite, hohe und niedrige Messempfindlichkeit Anforderungen an Rausch- und Störfestigkeit.

Derzeit ist es sehr schwierig, die Kapazität unter 10 pF im In- und Ausland zu messen. Die Messschaltung wendet meistens das Ladungsübertragungsverfahren oder das Wechselstromverfahren an, um die Kapazität in Spannung oder Strom umzuwandeln. Schaltungen werden oft durch den Ladungsinjektionseffekt elektronischer Schalter beeinträchtigt. Auch der Widerspruch zwischen Verbesserung der Messgeschwindigkeit und Verbesserung der Auflösung ist schwer zu lösen.

Dieses Dokument plant, den allgemeinen Kapazitätserkennungschip PS021 der Firma ACAM in Deutschland zu verwenden, um eine kleine Kapazitätsmessschaltung zu entwerfen. Der Chip wandelt Kapazitätsmessungen in präzise Zeitmessungen um. Der interne Algorithmus kann den Einfluss parasitärer Kapazitäten auf die Messergebnisse gut unterdrücken. Auch das im Chip integrierte Temperaturkompensationsmodul kann für eine gute Stabilität sorgen, die bei einer Bildwiederholfrequenz von 10Hz erreicht werden kann. Die effektive Genauigkeit beträgt 6 aF und die maximale Bildwiederholfrequenz kann 50 kHz erreichen.Die hohe Präzision und die hohe Bildwiederholfrequenz können den Widerspruch zwischen Messgeschwindigkeit und Auflösung aufheben.

1 Mikrokapazitätsmessmodul

Das Blockdiagramm des gesamten Konstruktionsprinzips ist in Abbildung 1 dargestellt, das hauptsächlich aus einer drucktragenden Hülle, einer Energieverwaltungsschaltung, einem PS021-Chip und einem Ein-Chip-Mikrocomputer besteht.

Der PS021-Chip wandelt das durch die Änderung der Druckschale erzeugte Kapazitätssignal in die entsprechende digitale 16-Bit-Größe um; der MSP430-Einchip-Mikrocomputer steuert den PS021 über die SPI-Schnittstelle und speichert die Daten im MSP430-Flash-Speicher; danach Die Datenerfassung wird abgeschlossen und über das Infrarotmodul an den Computer übertragen.Das VisualBasie6.O-Softpanel zeigt die Messergebniskurve an.Der Energieverwaltungsabschnitt kann eine Time-Sharing-steuerbare Stromversorgung für MSP430 und PS021 bereitstellen.

1.1 Hauptmerkmale von PS021

Basierend auf der TDC-Technologie ist der PS021-Chip ein voll integrierter Messchip mit ultraniedrigem Stromverbrauch und ultrahoher Präzision. Dieses digitale Messprinzip bietet eine sehr hohe Messflexibilität, einen großen Messbereich und eine effektive Genauigkeit von 22 Bit. Der Chip kann über eine SPI-kompatible serielle Schnittstelle mit einem Mikrocontroller oder DSP kommunizieren. Es hat auch einen unabhängigen Temperaturmessanschluss und eine parasitäre Kapazitätskompensationsschaltung. Es ist ein High-End-Chip, der für Drucksensoren, Beschleunigungsmesser und Spaltmessungen verwendet werden kann.

1.2 Messprinzip

Die Mess- und Referenzkondensatoren sind mit Widerständen verbunden, um ein Tiefpassfilter zu bilden. PS021 steuert das Ein-Aus des Analogschalters, die Einschaltzeit der beiden ist gleich und die beiden Kondensatoren werden innerhalb der Einschaltzeit abwechselnd geladen und entladen. Die Zeit bis zur Entladung auf die gleiche Spannung wird durch einen hochpräzisen TDC gemessen.

Die tatsächlich gemessene Ladung und Entladung des Referenzkondensators τ1 = RCref, die gemessene Ladung und Entladung des Sensorkondensators τ2 = RCsensor, gemäß dem internen Algorithmus des Chips, τ2/τ1 = Csensor/Cref, wobei Cref die bekannte Kapazität ist , und schließlich werden die Effektdaten in 16 Bit erhalten. Realisieren Sie die Messung der Sensorkapazität. PS021 steuert den analogen Schalter, um die beiden Kondensatoren wiederholt zu laden und zu entladen, und berechnet dann das Verhältnis der Messwerte der Kondensatoren. Wie in Bild 2 dargestellt, erhält man den Graphen durch Verschieben der Einschaltdauer der Lade-Entlade-Kurve eines der beiden Kondensatoren auf der Zeitachse. Das ns-Pegel-Intervall in der Abbildung entspricht der Differenz zwischen den beiden Kondensatoren. Wenn sich der Sensor im Anfangszustand befindet, ist die Kapazität des Referenzanschlusses im Wesentlichen gleich der Anfangskapazität des Sensors, und die Lade- und Entladekurven der beiden können im Wesentlichen durch Translation überlappt werden; wenn sich die gemessene Kapazität ändert, wird der ns -Pegel-Intervall Δt in der Figur entspricht dem Differenzwert der beiden Kapazitäten. Der Wert von ΔC oder die Kapazitätsänderung ΔC bewirkt eine Verzögerung der Entladezeit Δt.

2 Schaltungsdesign des Messsystems

2.1 Systemzustandsdesign

Um einen niedrigen Stromverbrauch zu erreichen, tritt das System nach dem Einschalten in einen Zustand mit extrem niedrigem Stromverbrauch ein und benötigt zum Aufwachen ein externes Pegelsignal. Das Systemzustandsdesign ist in Abbildung 3 dargestellt. Um eine Fehlfunktion des Systems zu vermeiden, wird das Triggersignal auf einen hohen Pegel gesetzt, wenn das Kapazitätssignal gemessen werden muss. Ist das Triggersignal innerhalb von 15 s immer auf High-Pegel, geht das System in den zyklischen Erfassungs- und Speicherzustand. Um die vollständige Kapazitätssignalkurve einschließlich vor und nach dem Trigger zu erhalten, tritt das System, sobald das Kapazitätssignal den voreingestellten Triggerwert erreicht, in den Triggerzustand ein und speichert das Kapazitätssignal im Flash-Speicher. Wenn der Flash-Speicher voll ist, werden die FIFO-Daten im RAM in die reservierte Adresse des Flash-Speichers importiert.

2.2 Steuermodul

Die Messschaltung benötigt einen Steuerchip, um das Lesen und Schreiben von Daten zu steuern. Da die Peripherieschnittstelle des PS021 SPI ist, übernimmt der Steuerteil den Mikrocontroller MSP-430FG4618 mit extrem niedrigem Stromverbrauch der American TI Company mit 8 kB RAM und 113 kB Flash-Speicher. Wenn die SPI-Kommunikation korrekt ist, ist der Mikrocontroller dafür verantwortlich, Lese- und Schreibbefehle zu senden, um den PS021 einzurichten und den Start und Stopp seiner Messung zu steuern, und um digitale Signale zu empfangen und zu speichern, um eine digitale interne Triggerung zu erreichen. Das RAM speichert zyklisch die abgetasteten Daten vor dem Trigger und speichert die Daten nach dem Trigger im Flash-Speicher. Nach Abschluss der Erfassung erreicht die Datenspeicherung eine negative Latenz von 2 kB.

2.3 Power-Management-Modul

Um das Design mit niedrigem Stromverbrauch zu realisieren, steuert der Ein-Chip-Mikrocomputer in jeder Arbeitsverbindung des Systems die Leistungsschalterzustände verschiedener Module rechtzeitig, um die Stromversorgung zuzuführen oder zu unterbrechen, um Strom zu sparen. Wie in Abbildung 4 gezeigt, verwendet die Stromversorgung der Schaltung den LDO-Chip LP5966, um zwei unabhängige 3,3-V-Spannungen auszugeben: VDD = 3,3 V zur Bereitstellung der Versorgungsspannung des Mikrocontrollers, seine Stromversorgung ist normalerweise offen, LVDD = 3,3 V zur Stromversorgung an PS021, und ONA steuert seinen Schalter Status: Wählen Sie den Ladungspumpenchip MAX1595, um HVDD=5V an PS021 auszugeben, ONB steuert seinen Schaltzustand, die Stromversorgung der beiden Chips wird direkt von der Batterie bereitgestellt.

4 Messung

Bei Verwendung der Schaltung für das kapazitive Manometer des ballistischen Innendruckprüfsystems wird das 22-cm3-Prüfsystem im Explosionsdruckfeld platziert.

5. Schlussfolgerung

Diese Schaltung wird in einem internen ballistischen Belastungstestsystem mit guten Ergebnissen verwendet. Die Schaltung zeichnet den Änderungsverlauf des Kapazitätssignals vor und nach der Explosion vollständig mit einer Bildwiederholfrequenz von 10 kHz auf. Gleichzeitig nimmt die Leiterplatte ein sechsschichtiges Design an, die Fläche beträgt weniger als 2,5 cm2 und der geringe Stromverbrauch beträgt 0,04 μA, was die Vorteile des geringen Stromverbrauchs und der geringen Größe widerspiegelt. Die Messlösung ist sehr flexibel und kann modularisiert werden. Das Schaltungsdesign kann in das Design vieler kapazitiver Sensoren übertragen werden, was die Schwierigkeit der Produktentwicklung verringert und für die Beschleunigung der Produktentwicklung und die Reduzierung der Produktionskosten von großer Bedeutung ist.