基于PS021微小电容低功耗测量电路的设计

摘要：提出一种微小电容低功耗测量电路的设计方案。该电路具有功耗低、体积小、抗干扰性强、分辨力高、刷新率高的特点。阐述了测量电路的基本原理、具体实现和各模块功能，并且通过测量0～5 pF范围的动态电容验证了电路的性能。提高了微小电容的测量精度，具有良好的应用前景。
关键词：PS021；微小电容；低功耗

0 引言
电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，目前已在多个领域得到广泛应用。它具有结构简单、温度稳定性好、分辨力高、动态响应好，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点。
由于电容式传感器输出的电容信号很小(1 fF～10 pF)，同时存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这就需要测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。
目前，国内外在测量10 pF以下的电容都存在很大的困难，测量电路多是采用电荷转移法或交流法，即将电容量转换为电压或电流，电路往往受到电子开关的电荷注入效应的影响，并且其提高测量速度和提高分辨力的矛盾难以解决。
本文拟采用德国ACAM公司的通用电容检测芯片PS021芯片进行微小电容测量电路的设计。该芯片把电容测量转化为精确的时间测量，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还能保证很好的稳定性，在10 Hz刷新频率时能够达到6 aF的有效精度，最高刷新频率可达50 kHz，高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨力的矛盾。

1 微小电容测量模块
总体设计原理框图如图1所示，主要有承压壳体、电源管理电路、PS021芯片、单片机几部分组成。

PS021芯片将承压壳体变化产生的电容信号转换成相应的16位数字量；MSP430单片机通过SPI接口对PS021进行控制，并将数据存入MSP430的闪存；数据采集完毕之后通过红外模块传到计算机中，使用VisualBasie6．O软面板显示测量结果曲线；电源管理部可对MSP430和PS021进行分时可控供电。
1．1 PS021主要特性
PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter时间数字转换器)技术而产生，使之成为一种完全集成的超低功耗、超高精度测量芯片。这种数字测量原理提供非常高的测量灵活性，具有很宽的测量范围，有效精度位最高可达22位。芯片可以通过SPI兼容的串行口，与单片机或DSP进行通信。同时具有独立的温度测量端口、寄生电容补偿电路，是一款可用于压力传感器、加速度传感器、间隙测量的高端芯片。
1．2 测量原理
感应电容和参考电容与电阻相连接形成了一个低通滤波器。PS021控制模拟开关轮流通断，二者导通时间相等，两个电容依次轮流在导通时间内充放电。放电到相同电压的时间将会被高精度TDC所测量。
参考电容充放电测得τ1=RCref，传感器电容充放电测得τ2=RCsensor，根据芯片内部算法计算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref为已知电容，最后得到16位的效据，从而实现了对传感器电容的测量。PS021控制模拟开关使得充放电重复在两个电容进行，然后计算出电容测量值的比值。如图2所示，该曲线图是由两个电容之一的充放电曲线在时间轴上平移导通时间而得，图中ns级的间隔对应两个电容的差值。当传感器处于初始状态时，参考端电容基本等于传感器的初始电容，两者充放电曲线通过平移基本上能够重合；当被测电容变化时，图中ns级的间隔△t对应两个电容的差值△C，或者电容的变化△C引起放电时间的延迟△t。