Projeto de Circuito de Medição de Pequena Capacitância Usando Chip de Detecção de Capacitância PS021

introduzir

Sensores capacitivos são dispositivos que convertem mudanças medidas em mudanças de capacitância e são amplamente utilizados em muitos campos. Tem as vantagens de estrutura simples, boa estabilidade de temperatura, alta resolução e boa resposta dinâmica, e pode funcionar em condições adversas, como alta temperatura, radiação e forte vibração.

Como a saída do sinal de capacitância pelo sensor capacitivo é muito pequena (1 fF a 10 pF), e há a influência da capacitância parasita e capacitância parasita do sensor e sua linha de conexão, o circuito de medição deve atender aos requisitos de grande dinâmica . Faixa, sensibilidade de medição alta e baixa Requisitos para imunidade a ruídos e espúrias.

Atualmente, é muito difícil medir a capacitância abaixo de 10 pF em casa e no exterior. O circuito de medição adota principalmente o método de transferência de carga ou o método CA para converter a capacitância em tensão ou corrente. Os circuitos são frequentemente afetados pelo efeito de injeção de carga dos interruptores eletrônicos. A contradição entre melhorar a velocidade de medição e melhorar a resolução também é difícil de resolver.

Este artigo planeja usar o chip PS021 de detecção de capacitância geral da empresa ACAM na Alemanha para projetar um pequeno circuito de medição de capacitância. O chip converte as medições de capacitância em medições de tempo precisas. O algoritmo interno pode suprimir a influência da capacitância parasita nos resultados da medição. O módulo de compensação de temperatura integrado no chip também pode garantir uma boa estabilidade, que pode ser alcançada com uma frequência de atualização de 10Hz. A precisão efetiva é de 6 aF, e a taxa de atualização máxima pode chegar a 50 kHz. A alta precisão e a alta taxa de atualização podem aliviar a contradição entre a velocidade de medição e a resolução.

1 módulo de medição de microcapacitância

O diagrama de blocos do princípio geral do projeto é mostrado na Figura 1, que é composto principalmente de um invólucro de pressão, um circuito de gerenciamento de energia, um chip PS021 e um microcomputador de chip único.

O chip PS021 converte o sinal de capacitância gerado pela mudança do invólucro de pressão na quantidade digital de 16 bits correspondente; o microcomputador de chip único MSP430 controla o PS021 através da interface SPI e armazena os dados na memória flash MSP430; após o A aquisição de dados é concluída, ele é transmitido para o computador através do módulo infravermelho.O painel de software VisualBasie6.O exibe a curva de resultado da medição, a seção de gerenciamento de energia pode fornecer fonte de alimentação controlável de compartilhamento de tempo para MSP430 e PS021.

1.1 Principais características do PS021

Com base na tecnologia TDC, o chip PS021 é um chip de medição de ultra-alta precisão totalmente integrado de consumo de energia ultrabaixo e ultra-alta. Este princípio de medição digital oferece uma flexibilidade de medição muito alta, uma ampla faixa de medição e uma precisão efetiva de 22 bits. O chip pode se comunicar com um microcontrolador ou DSP através de uma porta serial compatível com SPI. Também possui uma porta de medição de temperatura independente e um circuito de compensação de capacitância parasita. É um chip de ponta que pode ser usado para sensores de pressão, acelerômetros e medição de folga.

1.2 Princípio de medição

Os capacitores de sentido e de referência são conectados com resistores para formar um filtro passa-baixa. PS021 controla o liga-desliga do interruptor analógico, o tempo ligado dos dois é igual e os dois capacitores são carregados e descarregados por sua vez dentro do tempo ligado. O tempo de descarga para a mesma tensão será medido por um TDC de alta precisão.

A carga real medida e a descarga do capacitor de referência τ1=RCref, a carga medida e a descarga do capacitor sensor τ2=RCsensor, de acordo com o algoritmo interno do chip, τ2/τ1=Csensor/Cref, onde Cref é a capacitância conhecida , e finalmente os dados do efeito são obtidos em 16 bits. Realize a medição da capacitância do sensor. PS021 controla o interruptor analógico para carregar e descarregar os dois capacitores repetidamente e, em seguida, calcula a relação dos valores medidos dos capacitores. Conforme mostrado na Figura 2, o gráfico é obtido deslocando o tempo de ativação da curva de carga-descarga de um dos dois capacitores no eixo do tempo. O intervalo de nível ns na figura corresponde à diferença entre os dois capacitores. Quando o sensor está no estado inicial, a capacitância do terminal de referência é basicamente igual à capacitância inicial do sensor, e as curvas de carga e descarga dos dois podem ser basicamente sobrepostas por translação; quando a capacitância medida muda, o ns O intervalo de nível Δt na figura corresponde ao valor da diferença de duas capacitâncias. O valor de ΔC, ou a mudança na capacitância ΔC, causará um atraso no tempo de descarga Δt.

2 Projeto de circuito do sistema de medição

2.1 Projeto do Estado do Sistema

Para obter baixo consumo de energia, o sistema entra em um estado de consumo de energia ultrabaixo após a ativação e requer um sinal de nível externo para despertar. O projeto do estado do sistema é mostrado na Figura 3. Para evitar o mau funcionamento do sistema, quando o sinal de capacitância precisa ser medido, o sinal de disparo é ajustado para nível alto. Se o sinal de disparo estiver sempre em um nível alto dentro de 15 s, o sistema entra no estado de aquisição e armazenamento cíclico. Para obter a curva de sinal de capacitância completa, incluindo antes e depois do disparo, uma vez que o sinal de capacitância atinge o valor de disparo predefinido, o sistema entra no estado de disparo e armazena o sinal de capacitância na memória flash. Quando a memória flash está cheia, os dados FIFO na RAM são importados para o endereço reservado da memória flash.

2.2 Módulo de Controle

O circuito de medição precisa de um chip de controle para controlar a leitura e a escrita dos dados. Como a interface periférica do PS021 é SPI, a parte de controle adota o microcontrolador de baixíssimo consumo de energia MSP-430FG4618 da American TI Company, com 8 kB de RAM e 113 kB de memória flash. Em funcionamento, após a comunicação SPI estar correta, o microcontrolador é responsável por enviar comandos de leitura e escrita para configurar o PS021 e controlar o início e parada de sua medição, além de receber e armazenar sinais digitais para realizar o disparo interno digital. A RAM armazena ciclicamente os dados amostrados antes do disparo e armazena os dados na memória flash após o disparo. Após a conclusão da aquisição, o armazenamento de dados atinge uma latência negativa de 2 kB.

2.3 Módulo de Gerenciamento de Energia

Para realizar o projeto de baixo consumo de energia, em cada link de trabalho do sistema, o microcomputador de chip único controla os estados do interruptor de alimentação de diferentes módulos na hora de fornecer ou cortar a fonte de alimentação, de modo a economizar energia. Conforme mostrado na Figura 4, a fonte de alimentação do circuito usa o chip LDO LP5966 para produzir duas tensões independentes de 3,3 V: VDD = 3,3 V para fornecer a tensão de alimentação do microcontrolador, sua fonte de alimentação é normalmente aberta, LVDD = 3,3 V para fornecer energia para PS021, e ONA controla seu estado de chaveamento: Selecione o chip da bomba de carga MAX1595 para saída HVDD=5V para PS021, ONB controla seu estado de chaveamento; a alimentação dos dois chips é fornecida diretamente pela bateria.

4 Medição

Quando o circuito é usado para o manômetro capacitivo do sistema de teste de pressão balística interna, o sistema de teste de 22 cm3 é colocado no campo de pressão de explosão.

5. Conclusão

Este circuito é usado em um sistema de teste de estresse balístico interno com bons resultados. O circuito registra completamente a curva de mudança do sinal de capacitância antes e depois da explosão com uma taxa de atualização de 10 kHz. Ao mesmo tempo, a placa de circuito adota um design de seis camadas, a área é inferior a 2,5 cm2 e a corrente de baixo consumo de energia é de 0,04μA, o que reflete as vantagens de baixo consumo de energia e tamanho pequeno. A solução de medição é muito flexível e pode ser modularizada. O projeto do circuito pode ser transplantado para o projeto de muitos sensores capacitivos, o que reduz a dificuldade de desenvolvimento do produto e é de grande importância para acelerar o desenvolvimento do produto e reduzir os custos de produção.