摘要：提出一種微小電容低功耗測量電路的設計方案。該電路具有功耗低、體積小、抗干擾性強、分辨力高、刷新率高的特點。闡述了測量電路的基本原理、具體實現(xiàn)和各模塊功能，并且通過測量0～5 pF范圍的動態(tài)電容驗證了電路的性能。提高了微小電容的測量精度，具有良好的應用前景。
關鍵詞：PS021；微小電容；低功耗

0 引言
    電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置，目前已在多個領域得到廣泛應用。它具有結構簡單、溫度穩(wěn)定性好、分辨力高、動態(tài)響應好，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點。
    由于電容式傳感器輸出的電容信號很小(1 fF～10 pF)，同時存在傳感器及其連接導線雜散電容和寄生電容的影響，這就需要測量電路必須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。
    目前，國內外在測量10 pF以下的電容都存在很大的困難，測量電路多是采用電荷轉移法或交流法，即將電容量轉換為電壓或電流，電路往往受到電子開關的電荷注入效應的影響，并且其提高測量速度和提高分辨力的矛盾難以解決。
    本文擬采用德國ACAM公司的通用電容檢測芯片PS021芯片進行微小電容測量電路的設計。該芯片把電容測量轉化為精確的時間測量，內部算法可以很好地抑制寄生電容對測量結果的影響，芯片集成的溫度補償模塊還能保證很好的穩(wěn)定性，在10 Hz刷新頻率時能夠達到6 aF的有效精度，最高刷新頻率可達50 kHz，高精度高刷新率可緩和測量速度和分辨力的矛盾。

1 微小電容測量模塊
    總體設計原理框圖如圖1所示，主要有承壓殼體、電源管理電路、PS021芯片、單片機幾部分組成。

    PS021芯片將承壓殼體變化產(chǎn)生的電容信號轉換成相應的16位數(shù)字量；MSP430單片機通過SPI接口對PS021進行控制，并將數(shù)據(jù)存入MSP430的閃存；數(shù)據(jù)采集完畢之后通過紅外模塊傳到計算機中，使用VisualBasie6．O軟面板顯示測量結果曲線；電源管理部可對MSP430和PS021進行分時可控供電。
1．1 PS021主要特性
    PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter時間數(shù)字轉換器)技術而產(chǎn)生，使之成為一種完全集成的超低功耗、超高精度測量芯片。這種數(shù)字測量原理提供非常高的測量靈活性，具有很寬的測量范圍，有效精度位最高可達22位。芯片可以通過SPI兼容的串行口，與單片機或DSP進行通信。同時具有獨立的溫度測量端口、寄生電容補償電路，是一款可用于壓力傳感器、加速度傳感器、間隙測量的高端芯片。
1．2 測量原理
    感應電容和參考電容與電阻相連接形成了一個低通濾波器。PS021控制模擬開關輪流通斷，二者導通時間相等，兩個電容依次輪流在導通時間內充放電。放電到相同電壓的時間將會被高精度TDC所測量。
    參考電容充放電測得τ1=RCref，傳感器電容充放電測得τ2=RCsensor，根據(jù)芯片內部算法計算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref為已知電容，最后得到16位的效據(jù)，從而實現(xiàn)了對傳感器電容的測量。PS021控制模擬開關使得充放電重復在兩個電容進行，然后計算出電容測量值的比值。如圖2所示，該曲線圖是由兩個電容之一的充放電曲線在時間軸上平移導通時間而得，圖中ns級的間隔對應兩個電容的差值。當傳感器處于初始狀態(tài)時，參考端電容基本等于傳感器的初始電容，兩者充放電曲線通過平移基本上能夠重合；當被測電容變化時，圖中ns級的間隔△t對應兩個電容的差值△C，或者電容的變化△C引起放電時間的延遲△t。

2 測量系統(tǒng)電路設計
2．1 系統(tǒng)狀態(tài)設計
    為實現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)在上電后進入超低功耗狀態(tài)，需要外部電平信號才能喚醒。系統(tǒng)的狀態(tài)設計如圖3，為了避免系統(tǒng)的誤動作，當需要測量電容信號時，將觸發(fā)信號置為高，如果15 s內觸發(fā)信號一直為高，則系統(tǒng)進入循環(huán)采集存儲的狀態(tài)。為得到包括觸發(fā)前和觸發(fā)后的完整電容信號曲線，一旦電容信號達到預設的觸發(fā)值，系統(tǒng)便進入觸發(fā)態(tài)，將電容信號存儲到閃存，閃存存滿后，將RAM中的FIFO數(shù)據(jù)導入閃存預留地址。
2．2 控制模塊
   測量電路需要控制芯片來控制數(shù)據(jù)的讀取和寫入，由于PS021的外圍接口是SPI，所以控制部分采用美國TI公司的超低功耗微控制器MSP-430FG4618，它具有8 kB的RAM和113 kB的閃存。工作時，在SPI通信正確之后，單片機負責發(fā)送讀寫命令設置PS021并控制其測量的啟停，并接收存儲數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)字內觸發(fā)。觸發(fā)前RAM循環(huán)存儲采樣數(shù)據(jù)，觸發(fā)后將數(shù)據(jù)存入閃存中，采集完畢時數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)2 kB的負延時。
2．3 電源管理模塊
    為實現(xiàn)低功耗設計，在系統(tǒng)的各個工作環(huán)節(jié)中，由單片機適時控制不同模塊的供電開關狀態(tài)，為其提供電源或者切除電源，從而達到省電的目的。如圖4所示，電路供電選用LDO芯片LP5966輸出兩個獨立的3．3 V電壓：VDD=3．3 V供給單片機電源電壓，其供電使能一直開著，LVDD=3．3 V供給PS021，由ONA控制其開關狀態(tài)；選用電荷泵芯片MAX1595輸出HVDD=5 V供給PS021，由ONB控制其開關狀態(tài)；兩個芯片的供電直接由電池提供。

2．4 數(shù)據(jù)讀取模塊
    數(shù)據(jù)傳輸采用SHARP公司生產(chǎn)的GP2W0116YPS紅外模塊，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高的特點?？蓪崿F(xiàn)與計算機的無線數(shù)據(jù)通信，它支持紅外IrDA1．2的標準，數(shù)據(jù)傳播速率2．4 kb／s～115．2 kb／s。

3 系統(tǒng)軟件設計
    在系統(tǒng)設計中，主要通過軟件實現(xiàn)控制功能，控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸，采用C語言對單片機編程，程序可讀性強，方便移植。主程序流程圖如圖5所示。

    主程序結構很簡單，系統(tǒng)電源上電，關閉看門狗，I／O口初始化，進入低功耗狀態(tài)LPM4，等待上電中斷、計算機讀數(shù)請求中斷，中斷響應完畢后均返回低功耗狀態(tài)LPM4。


4 測量
    將電路用于內彈道壓力測試系統(tǒng)電容式測壓器時，將22 cm3的測試系統(tǒng)置于燃爆壓力場中，得到測量曲線如圖6所示。

5 結論
    將電路用于內彈道壓力測試系統(tǒng)中，取得了較好的效果，電路在10 kHz的刷新頻率下，完整記錄了爆炸前后的電容信號變化曲線。同時電路板采用六層設計，面積小于2．5 cm2，低功耗電流為0．04μA，體現(xiàn)了低功耗、體積小等優(yōu)點。測量方案非常靈活，能實現(xiàn)模塊化，電路設計可以移植到許多電容式傳感器的設計中去，降低了產(chǎn)品的開發(fā)難度，對加速產(chǎn)品的研制、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的意義。