Diseño de circuito de medición de capacitancia pequeña utilizando el chip de detección de capacitancia PS021

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Los sensores capacitivos son dispositivos que convierten los cambios medidos en cambios de capacitancia y se usan ampliamente en muchos campos. Tiene las ventajas de una estructura simple, buena estabilidad de temperatura, alta resolución y buena respuesta dinámica, y puede funcionar en condiciones adversas como alta temperatura, radiación y fuerte vibración.

Dado que la señal de capacitancia emitida por el sensor capacitivo es muy pequeña (1 fF a 10 pF), y existe la influencia de la capacitancia parásita y la capacitancia parásita del sensor y su línea de conexión, el circuito de medición debe cumplir con los requisitos de gran dinámica . Rango, sensibilidad de medición alta y baja Requisitos de inmunidad al ruido y espurias.

En la actualidad, es muy difícil medir la capacitancia por debajo de 10 pF en casa y en el extranjero. El circuito de medición adopta principalmente el método de transferencia de carga o el método de CA para convertir la capacitancia en voltaje o corriente. Los circuitos a menudo se ven afectados por el efecto de inyección de carga de los interruptores electrónicos. La contradicción entre mejorar la velocidad de medición y mejorar la resolución también es difícil de resolver.

Este documento planea utilizar el chip de detección de capacitancia general PS021 de la empresa ACAM en Alemania para diseñar un pequeño circuito de medición de capacitancia. El chip convierte las mediciones de capacitancia en mediciones de tiempo precisas. El algoritmo interno bien puede suprimir la influencia de la capacitancia parásita en los resultados de la medición. El módulo de compensación de temperatura integrado en el chip también puede garantizar una buena estabilidad, que se puede lograr con una frecuencia de actualización de 10 Hz. La precisión efectiva es de 6 aF y la frecuencia de actualización máxima puede alcanzar los 50 kHz. La alta precisión y la alta frecuencia de actualización pueden aliviar la contradicción entre la velocidad de medición y la resolución.

1 módulo de medida de microcapacitancia

El diagrama de bloques del principio de diseño general se muestra en la Figura 1, que se compone principalmente de una carcasa que soporta presión, un circuito de administración de energía, un chip PS021 y una microcomputadora de un solo chip.

El chip PS021 convierte la señal de capacitancia generada por el cambio de la carcasa de presión en la cantidad digital de 16 bits correspondiente; la microcomputadora de un solo chip MSP430 controla el PS021 a través de la interfaz SPI y almacena los datos en la memoria flash MSP430; después de la la adquisición de datos se completa, se transmite a la computadora a través del módulo de infrarrojos.El panel virtual VisualBasie6.O muestra la curva de resultado de la medición;la sección de administración de energía puede proporcionar una fuente de alimentación controlable de tiempo compartido para MSP430 y PS021.

1.1 Características principales de PS021

Basado en la tecnología TDC, el chip PS021 es un chip de medición de precisión ultra alta y consumo de energía ultrabajo totalmente integrado. Este principio de medición digital ofrece una flexibilidad de medición muy alta, un amplio rango de medición y una precisión efectiva de 22 bits. El chip puede comunicarse con un microcontrolador o DSP a través de un puerto serie compatible con SPI. También tiene un puerto de medición de temperatura independiente y un circuito de compensación de capacitancia parásita. Es un chip de gama alta que se puede utilizar para sensores de presión, acelerómetros y medición de espacios.

1.2 Principio de medición

Los condensadores de detección y referencia están conectados con resistencias para formar un filtro de paso bajo. PS021 controla el encendido y apagado del interruptor analógico, el tiempo de encendido de los dos es igual y los dos condensadores se cargan y descargan a su vez dentro del tiempo de encendido. El tiempo de descarga al mismo voltaje será medido por un TDC de alta precisión.

La carga y descarga medidas reales del capacitor de referencia τ1=RCref, la carga y descarga medidas del capacitor del sensor τ2=RCsensor, según el algoritmo interno del chip, τ2/τ1=Csensor/Cref, donde Cref es la capacitancia conocida , y finalmente se obtienen los datos del efecto en 16 bits. Realice la medición de la capacitancia del sensor. PS021 controla el interruptor analógico para cargar y descargar los dos capacitores repetidamente y luego calcula la relación de los valores medidos de los capacitores. Como se muestra en la Figura 2, el gráfico se obtiene desplazando el tiempo de encendido de la curva de carga-descarga de uno de los dos capacitores en el eje del tiempo. El intervalo de nivel ns en la figura corresponde a la diferencia entre los dos condensadores. Cuando el sensor está en el estado inicial, la capacitancia del terminal de referencia es básicamente igual a la capacitancia inicial del sensor, y las curvas de carga y descarga de los dos pueden superponerse básicamente por traslación; cuando la capacitancia medida cambia, el ns El intervalo de nivel Δt en la figura corresponde al valor de la diferencia de dos capacitancias. El valor de ΔC, o el cambio en la capacitancia ΔC, provocará un retraso en el tiempo de descarga Δt.

2 Diseño del circuito del sistema de medición

2.1 Diseño del estado del sistema

Para lograr un bajo consumo de energía, el sistema entra en un estado de consumo de energía ultrabajo después del encendido y requiere una señal de nivel externa para activarse. El diseño del estado del sistema se muestra en la Figura 3. Para evitar el mal funcionamiento del sistema, cuando se necesita medir la señal de capacitancia, la señal de disparo se establece en un nivel alto. Si la señal de disparo está siempre en un nivel alto dentro de los 15 s, el sistema ingresa al estado de adquisición y almacenamiento cíclico. Para obtener la curva de señal de capacitancia completa, incluso antes y después del disparo, una vez que la señal de capacitancia alcanza el valor de disparo preestablecido, el sistema ingresa al estado de disparo y almacena la señal de capacitancia en la memoria flash. Cuando la memoria flash está llena, los datos FIFO de la RAM se importan a la dirección reservada de la memoria flash.

2.2 Módulo de control

El circuito de medición necesita un chip de control para controlar la lectura y escritura de datos. Debido a que la interfaz periférica de PS021 es SPI, la parte de control adopta el microcontrolador de consumo ultrabajo de energía MSP-430FG4618 de American TI Company, con 8 kB de RAM y 113 kB de memoria flash. Cuando está funcionando, después de que la comunicación SPI sea correcta, el microcontrolador es responsable de enviar comandos de lectura y escritura para configurar el PS021 y controlar el inicio y la parada de su medición, y recibir y almacenar señales digitales para lograr el disparo interno digital. La RAM almacena cíclicamente los datos muestreados antes del disparo y almacena los datos en la memoria flash después del disparo. Una vez completada la adquisición, el almacenamiento de datos alcanza una latencia negativa de 2 kB.

2.3 Módulo de administración de energía

Para realizar el diseño de bajo consumo de energía, en cada enlace de trabajo del sistema, la microcomputadora de un solo chip controla los estados del interruptor de alimentación de diferentes módulos a tiempo para suministrar o cortar la fuente de alimentación, para ahorrar energía. Como se muestra en la Figura 4, la fuente de alimentación del circuito utiliza el chip LDO LP5966 para generar dos voltajes independientes de 3,3 V: VDD = 3,3 V para proporcionar el voltaje de la fuente de alimentación del microcontrolador, su fuente de alimentación normalmente está abierta, LVDD = 3,3 V para suministrar energía a PS021, y ONA controla su estado de conmutación: seleccione el chip de la bomba de carga MAX1595 para generar HVDD = 5 V a PS021, ONB controla su estado de conmutación; la batería proporciona directamente la fuente de alimentación de los dos chips.

4 medidas

Cuando el circuito se utiliza para el manómetro capacitivo del sistema de prueba de presión balística interna, el sistema de prueba de 22 cm3 se coloca en el campo de presión de explosión.

5. Conclusión

Este circuito se utiliza en un sistema de prueba de estrés balístico interno con buenos resultados. El circuito registra completamente la curva de cambio de la señal de capacitancia antes y después de la explosión con una frecuencia de actualización de 10 kHz. Al mismo tiempo, la placa de circuito adopta un diseño de seis capas, el área es inferior a 2,5 cm2 y la corriente de bajo consumo de energía es de 0,04 μA, lo que refleja las ventajas del bajo consumo de energía y el tamaño pequeño. La solución de medición es muy flexible y se puede modularizar. El diseño del circuito se puede trasplantar al diseño de muchos sensores capacitivos, lo que reduce la dificultad del desarrollo del producto y es de gran importancia para acelerar el desarrollo del producto y reducir los costos de producción.