摘要：提出了一種高精度、低成本的電容的測量方法。該方法采用差動式直流充電法測量微小電容，具有功耗低、體積小、分辨率高、刷新率高的特點。同時詳細闡述了測量電路的基本原理、具體實現(xiàn)，并且通過測量固定電容驗證了電路的性能。
關鍵詞：電容傳感器；差動式測量；直流充電
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。電容式傳感器具有結構簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應快、可非接觸測量，及能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點，并且已在工農業(yè)生產的各個領域得到廣泛應用。
微小電容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。電容式傳感器輸出的電容信號往往很小(1fF～10 pF)，又存在傳感器及其連接導線雜散電容和寄生電容的影響，這對電容信號的測量電路提出了非常高的要求，如此微小的電容信號的測量成為電容式傳感器技術發(fā)展的瓶頸。
本文提出一種恒流源充電法對兩個微小電容進行充電檢測的方法。本設計僅由單片機和少數(shù)芯片即可以實現(xiàn)電容的高精度，高頻率測量。由于采用了差動式測量，本設計可以有效地減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減少干擾，減少寄生電容的影響。若選用高性能模擬開關能大大減小電荷注入效應的影響。在檢測0～5 pF的實驗中，采樣頻率可以達到100 kHz，有效精度位最高可達12位。
1 原理分析
實現(xiàn)測量的電路原理如圖1所示，其完整的測量過程是：單片機控制模擬開關K1，K2斷路，標準電容Cl和待測電容C2由相同的兩個恒流源I1和I2進行充電；在相同的時間T1內，電容C1、C2的充電電壓為U1、U2。由電容基本公式
可得：
令△U=U1-U2，則電壓差△U經(jīng)過放大后，通過MSP430單片機的AD轉換模塊進行轉換，數(shù)據(jù)存儲的同時，單片機控制K1、K2閉合，在T2時間內，使C1，C2兩端的短路，兩電容兩端電壓降到零，此時完成放電過程。
至此，一次完整的采樣過程結束，充放電時序見圖2。
在整個過程中，單片機要產生一個頻率為100 kHz，占空比為90％的PWM波，用以控制K1、K2的通斷，還要以(T1+T2)的周期完成AD變換和數(shù)據(jù)存儲。其中，T1的最大值小于充電時間，T2的最小值大于放電時間。
2 硬件設計
2．1 恒流源的設計
恒流源是整個測量系統(tǒng)模擬部分的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)測量的精度。本設計中的兩個恒流源要求輸出電流相等，具體設計如圖3。
因Vi是采用單片機AD轉換的標準電壓1．5 V，UL≤1．5 V，故n值、RL與Rs的比值，直接影響恒流源電流的輸出，只要保證UL小于1．5 V時，該電路輸出電流為恒定值，與負載電阻RL沒有關系。
2．2 放大電路的設計
放大電路采用以儀表放大器INA128為核心的儀表放大器。該放大器在放大100倍時帶寬可達200 kHz，完全滿足了設計的要求。
C1和C2兩個電容由相應的恒流源在相同的時間內進行充電，兩電容充電電壓差由INA128進行放大，并送入單片機進行采樣存儲。圖4為充放電標準信號與INA128放大后的結果。
3 軟件設計
為實現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)接入電源后進入低功耗狀態(tài)，需要外部電平信號才能喚醒。為了避免系統(tǒng)的誤開始測量，當需要測量電容信號時，將觸發(fā)信號置高，如果20 s內觸發(fā)信號一直置高，則系統(tǒng)進入循環(huán)采集存儲狀態(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。之后，系統(tǒng)進入待讀數(shù)態(tài)，此時插上USB接口，接收到計算機的讀數(shù)命令之后即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機，并且在第一次讀取數(shù)據(jù)之后和掉電以后再上電可重復無數(shù)次讀取并顯示測量結果。系統(tǒng)的狀態(tài)設計如圖5。
為實現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)，電路不工作時，即接通電源態(tài)和待讀數(shù)態(tài)，系統(tǒng)處于值更狀態(tài)、超低功耗態(tài)LPM4；工作時都處于全功耗態(tài)。
4 測量結果
傳感器的標定就是通過實驗確定傳感器的輸入量和輸出量之間的關系，用以確定傳感器系統(tǒng)的線性度、靈敏度和重復性等靜態(tài)性能指標。
表1為測量0～5pF電容的數(shù)據(jù)。由最小二乘法相關計算公式可得，擬合直線為y=0．993x+0．049，重復性誤差為1．77％，非線性誤差為0．84％，基本誤差為2．61％。
5 結論
本設計的核心硬件由芯片和單片機實現(xiàn)，省去了昂貴的電容測量芯片，由低功耗，低成本的數(shù)字芯片組成，有效降低了測量系統(tǒng)的成本。整個系統(tǒng)電路板面積小于2．7 cm2，工作電流小于8 mA，低功耗電流為0．02 uA，由于待測電容和標準電容均有接地端，所以具有較強的抗干擾能力，并體現(xiàn)了低功耗、體積小等優(yōu)點。本測量方案可以非常靈活，實現(xiàn)模塊化，所設計的同一塊PCB可以移植到許多電容式傳感器的設計中去。