Разработка схемы измерения малой емкости с использованием микросхемы обнаружения емкости PS021

представлять

Емкостные датчики — это устройства, которые преобразуют измеренные изменения в изменения емкости и широко используются во многих областях. Он имеет преимущества простой конструкции, хорошей температурной стабильности, высокого разрешения и хорошего динамического отклика и может работать в суровых условиях, таких как высокая температура, радиация и сильная вибрация.

Поскольку сигнал емкости, выдаваемый емкостным датчиком, очень мал (от 1 фФ до 10 пФ), и существует влияние паразитной емкости и паразитной емкости датчика и его соединительной линии, схема измерения должна соответствовать требованиям большой динамики. . Диапазон, высокая и низкая чувствительность измерений Требования к помехозащищенности и паразитным помехам.

В настоящее время очень сложно измерить емкость ниже 10 пФ в стране и за рубежом. Схема измерения в основном использует метод переноса заряда или метод переменного тока для преобразования емкости в напряжение или ток. На схемы часто влияет эффект инжекции заряда электронных переключателей. Противоречие между повышением скорости измерения и улучшением разрешающей способности также трудно разрешимо.

В этой статье планируется использовать обычную микросхему обнаружения емкости PS021 компании ACAM в Германии для разработки малой схемы измерения емкости. Чип преобразует измерения емкости в точные измерения времени. Внутренний алгоритм может хорошо подавлять влияние паразитной емкости на результаты измерения. Встроенный в чип модуль температурной компенсации также может обеспечить хорошую стабильность, чего можно добиться при частоте обновления 10 Гц. Эффективная точность составляет 6 aF, а максимальная частота обновления может достигать 50 кГц.Высокая точность и высокая частота обновления могут смягчить противоречие между скоростью измерения и разрешением.

1 модуль измерения микроемкостей

Общая принципиальная блок-схема конструкции показана на рис. 1, которая в основном состоит из несущей под давлением оболочки, схемы управления питанием, микросхемы PS021 и однокристального микрокомпьютера.

Микросхема PS021 преобразует сигнал емкости, генерируемый изменением оболочки давления, в соответствующую 16-битную цифровую величину; однокристальный микрокомпьютер MSP430 управляет PS021 через интерфейс SPI и сохраняет данные во флэш-памяти MSP430; после сбор данных завершен, они передаются на компьютер через инфракрасный модуль.Мягкая панель VisualBasie6.O отображает кривую результатов измерения, раздел управления питанием может обеспечить управляемое питание с разделением времени для MSP430 и PS021.

1.1 Основные характеристики PS021

Чип PS021, основанный на технологии TDC, представляет собой полностью интегрированный чип со сверхнизким энергопотреблением и сверхвысокой точностью измерения. Этот цифровой принцип измерения обеспечивает очень высокую гибкость измерений, широкий диапазон измерений и эффективную точность 22 бита. Чип может связываться с микроконтроллером или DSP через последовательный порт, совместимый с SPI. Он также имеет независимый порт измерения температуры и схему компенсации паразитной емкости. Это высококачественный чип, который можно использовать для датчиков давления, акселерометров и измерения зазора.

1.2 Принцип измерения

Конденсаторы считывания и опорного напряжения соединены с резисторами, образуя фильтр нижних частот. PS021 управляет включением-выключением аналогового переключателя, время включения обоих одинаково, и два конденсатора заряжаются и разряжаются по очереди в течение времени включения. Время разряда до того же напряжения будет измеряться высокоточным TDC.

Фактический измеренный заряд и разряд эталонного конденсатора τ1=RCref, измеренный заряд и разряд конденсатора датчика τ2=RCsensor, по внутреннему алгоритму микросхемы, τ2/τ1=Csensor/Cref, где Cref – известная емкость , и, наконец, данные эффекта получаются в 16 битах. Реализовать измерение емкости датчика. PS021 управляет аналоговым переключателем для многократной зарядки и разрядки двух конденсаторов, а затем вычисляет соотношение измеренных значений конденсаторов. Как показано на рис. 2, график получен путем сдвига времени включения кривой заряда-разряда одного из двух конденсаторов по оси времени. Интервал уровня ns на рисунке соответствует разнице между двумя конденсаторами. Когда датчик находится в начальном состоянии, емкость эталонного вывода в основном равна начальной емкости датчика, а кривые заряда и разряда двух могут в основном перекрываться при перемещении; когда измеренная емкость изменяется, ns интервал уровня Δt на рисунке соответствует разности двух емкостей. Значение ΔC или изменение емкости ΔC вызовет задержку времени разряда Δt.

2 Схема системы измерения

2.1 Схема состояния системы

Чтобы достичь низкого энергопотребления, система переходит в состояние сверхнизкого энергопотребления после включения питания и требует сигнала внешнего уровня для пробуждения. Схема состояния системы показана на рисунке 3. Чтобы избежать неисправности системы, когда необходимо измерить сигнал емкости, сигнал запуска устанавливается на высокий уровень. Если триггерный сигнал всегда находится на высоком уровне в течение 15 с, система переходит в состояние циклического сбора и хранения. Чтобы получить полную кривую сигнала емкости, включая до и после триггера, как только сигнал емкости достигает заданного значения триггера, система переходит в состояние триггера и сохраняет сигнал емкости во флэш-памяти. Когда флэш-память заполнена, данные FIFO в ОЗУ импортируются по зарезервированному адресу флэш-памяти.

2.2 Модуль управления

Схема измерения нуждается в микросхеме управления для управления чтением и записью данных. Поскольку периферийным интерфейсом PS021 является SPI, в управляющей части используется микроконтроллер MSP-430FG4618 со сверхнизким энергопотреблением американской компании TI с оперативной памятью 8 КБ и флэш-памятью 113 КБ. При работе, после правильной связи SPI, микроконтроллер отвечает за отправку команд чтения и записи для настройки PS021 и управления запуском и остановкой его измерения, а также за прием и сохранение цифровых сигналов для достижения цифрового внутреннего запуска. Оперативная память циклически сохраняет выборочные данные до запуска и сохраняет данные во флэш-памяти после запуска. После завершения сбора данных сохраняется отрицательная задержка в 2 КБ.

2.3 Модуль управления питанием

Чтобы реализовать дизайн с низким энергопотреблением, в каждом рабочем звене системы однокристальный микрокомпьютер управляет состоянием переключателя питания различных модулей вовремя, чтобы подавать или отключать питание, чтобы экономить энергию. Как показано на рисунке 4, источник питания схемы использует микросхему LDO LP5966 для вывода двух независимых напряжений 3,3 В: VDD = 3,3 В для обеспечения напряжения питания микроконтроллера, его источник питания нормально разомкнут, LVDD = 3,3 В для подачи питания. на PS021, а ONA управляет состоянием переключателя: выберите микросхему подкачки заряда MAX1595 для вывода HVDD=5V на PS021, ONB управляет состоянием переключения; питание двух микросхем напрямую обеспечивается аккумулятором.

4 Измерение

Когда схема используется для емкостного манометра системы испытания внутреннего баллистического давления, испытательная система объемом 22 см3 помещается в поле давления взрыва.

5. Вывод

Эта схема используется во внутренней системе баллистических испытаний с хорошими результатами. Схема полностью записывает кривую изменения сигнала емкости до и после взрыва с частотой обновления 10 кГц. В то же время печатная плата имеет шестислойную конструкцию, площадь составляет менее 2,5 см2, а ток низкого энергопотребления составляет 0,04 мкА, что отражает преимущества низкого энергопотребления и небольшого размера. Измерительное решение очень гибкое и может быть модульным. Схема может быть перенесена в конструкцию многих емкостных датчиков, что снижает сложность разработки продукта и имеет большое значение для ускорения разработки продукта и снижения производственных затрат.