基于Cypress PSoC的防高壓電容測量方案
摘要： 介紹了一種基于賽普拉斯的8位PSoC芯片為核心，具有高精度，寬量程，耐高壓的電容測量解決方案。PSoC是Cypress半導體有限公司生產(chǎn)的的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加可編程恒流源(IDAC)，I2C，F(xiàn)lash,SRAM等周邊外圍模塊組成
Abstract：
Key words :
由于電容元件本身的儲能特性，因此它被廣泛地應用于整流，濾波，耦合，振蕩等電路中，幾乎成為現(xiàn)代整機產(chǎn)品中不可或缺的分立元器件。因此，無論是對電容生產(chǎn)廠商或整機設計維修工程師來講，通過電容測量儀準確地了解電容元件的參數(shù)特性都非常有必要，尤其是模擬電路和射頻電路設計工程師。由于電容元件的本身儲能特性，使得人們在測量時總是會因為這樣或那樣的原因而忘記先放電再測量，導致電容測試儀被燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此自電容測量儀誕生以來的過去幾十年中，人們就一直在探索既保證電容測量精度的同時又能防高壓問題的最佳解決方案。正是基于此，本文介紹了一種基于賽普拉斯的8位PSoC芯片為核心，具有高精度，寬量程，耐高壓的電容測量解決方案。
PSoC簡述
PSoC是Cypress半導體有限公司生產(chǎn)的的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加可編程恒流源(IDAC)，I2C，F(xiàn)lash,SRAM等周邊外圍模塊組成，如圖1所示。
圖1PSoC的功能框圖
因此，PSoC除了能實現(xiàn)一般MCU的功能外，還可通過可編程模擬和數(shù)字模塊靈活地實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。為了方便用戶簡單而快速地實現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設計，Cypress基于可編程數(shù)字模擬模塊構(gòu)建了大量的用戶模塊，如可編程運算放大器，比較器，6至14位的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，濾波器，8/16/24/32位定時器/計數(shù)器，脈寬調(diào)制器，觸摸感應等模塊。這些用戶模塊將PSoC內(nèi)部的寄存器配置，數(shù)字模塊和模擬模塊之間的內(nèi)部連線，底層API(ApplicationProgramInteRFace,應用程序接口)函數(shù)都已設計好了。當用戶需要某個數(shù)字模擬外圍功能時，只需要簡單地調(diào)用相應的用戶模塊即可實現(xiàn)。
電容容量參數(shù)測量方法
容抗法是指利用電容對交流信號源所表現(xiàn)出的阻抗特性，通過測量電容在某一頻率下的容抗值，再利用z=1/wc(w為角頻率)關系式根據(jù)已知信號源的角頻率w計算出待測電容容量的方法。這種方法能較好地反映出電容元件交流頻率特性，可用來測量電容元件的多方面參數(shù)特性，例如容量，介質(zhì)損耗等，是當前電容測試儀產(chǎn)品應用最廣的一種方法。但是，它有一個缺點：電容的充電和放電同處于一個回路之中，要做到既能保證測量精度又能防高壓設計比較困難。
振蕩法是指利用由電阻、電容或電感無源元器件構(gòu)成的振蕩電路，通過測量振蕩信號的頻率，再利用w=1/RC或w2=/LC關系式，根據(jù)已知其它無源元器件參數(shù)值計算出待測電容容量的方法。這種方法測量精度一般比較差，而且對振蕩電路所需的元件精度與穩(wěn)定性都要求都很高，因此它主要應用在一些精度要求不高的產(chǎn)品或領域里。
充電法是指利用恒流源對待測電容進行充電，通過測量電容電壓達到參考電壓所需的時間，再利用i=c×dUc/dt關系式算出待測電容容量的方法，如圖2所示。由于電流i是恒流源，所以i=c×dUc/dt可以演變?yōu)閏=i×⊿t/⊿u關系式，這樣電容容量c與充電時間就有嚴格的線性比例關系。測量時只要將最終的計數(shù)結(jié)果讀出來并進行一定的換算就可知道待測電容的容量值。
圖2充電法測量電路圖
相比容抗與振蕩測量方法相比，這種方法具有如下一些特點：一、放電回路與充電回路可以分開。如圖2所示，電容充滿電后，控制器的放電控制信號置高，N溝道場管導通，CX上的電荷即通過放電電阻R，場管的源漏極對地實現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開的拓樸結(jié)構(gòu)對防高壓設計是非常有好處的。因為微控制器或外部硬件電路一旦檢測到待測電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開，實現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測量，從而對由集成電路構(gòu)成的高精度測量充電電路元件實行保護。二、成本低，精度高。如圖2所示，充電測量電路主要由計數(shù)器，比較器和恒流源組成，放電測量電路由一個電阻和NMOS管構(gòu)成，這種電路結(jié)構(gòu)可使得除了放電電阻和NMOS管不易集成到常用的單芯片系統(tǒng)之外，其它部分都可以集成進去，從而確保整個電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍元器件少。如果系統(tǒng)時鐘頻率加快，計數(shù)器的位數(shù)增加，將可以保證整個電容測量電路寬量程，高精度。三、這種電路主要適用于電容容量參數(shù)，其它方面的參數(shù)測量實現(xiàn)起來是比較困難的;同時如上所述，這種測量電路需要一個比較穩(wěn)定的恒流源，而且為了實現(xiàn)寬量程，高精度的電容測量功能，這個恒流源還要求具有可編程性，范圍寬，以實現(xiàn)在小電容時使用恒定的小電流信號測量來確保測量精度，而大電容使用恒定的大電流信號測量來確保測量速度的要求。
根據(jù)上面所述的充電法電容參數(shù)測量特點，如果需要設計一款只測電容容量參數(shù)，而且能防高壓的電容測試系統(tǒng)，那么問題的關鍵就集中到一點：具有一個大范圍，高精準，可編程的恒流源。事實上，我們在上面介紹PSoC時已經(jīng)提到了，PSoC都具有可實現(xiàn)充電法測量電路所需的比較器，計數(shù)器之外的可編程模擬和數(shù)字模塊之外，還具有可編程恒流源(IDAC)硬件資源。因此，基于PSoC來實現(xiàn)一個耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測試系統(tǒng)會是一件很容易做到的事情。
基于PSoC的防高壓電容容量測量方案實現(xiàn)
根據(jù)我們上面對基于PSoC的防高壓電容容量測量方案的可行性，實現(xiàn)拓樸以及PSoC內(nèi)部架構(gòu)的闡述，我們可以知道要實現(xiàn)這一方案需要做如下幾部分設計：防高壓測量外圍電路設計，PSoC模塊配置設計和測量軟件設計。下面我們將對其分別進行介紹。
防高壓電容測量外圍電路設計
圖3是基于PSoC進行電容測量的外圍電路，充電測量時，PSoC內(nèi)的IDAC(可編程恒流源)通過Captest引腳輸出恒定電流經(jīng)過R13,R12分別對待測電容CX和已知電容容量C8充電，Captest引腳上的電壓就會線性增高，一旦達到參考電壓Vref時，PSoC內(nèi)部的比較器就會翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制信號給PSoC內(nèi)的微控制器，微控制器就會將計數(shù)結(jié)果取走進行容值計算與顯示，從而容值測量;同時比較器翻轉(zhuǎn)中斷信號也會觸發(fā)放電控制引腳Ctrl置高，將NMOS管導通，為CX,C8提供放電電路。在此還有一個PMOS管未提及的作用。這個PMOS管就是用來專門為了防高壓而設計的。當帶高壓電荷(比VDD電源高的電壓電荷)的待測電容CX放到測試夾具進行測試時，PMOS管的源極S電壓就變?yōu)榇郎y電容上的電壓值，由于PMOS管的柵極電壓近似為VDD,因此PMOS管就會瞬間導通，一直導通到CX上的電壓低于VDD，PMOS管才會關閉。所以PMOS管構(gòu)成了高壓硬件放電通路，從而確保PSoC不會受到高壓電荷長時間的沖擊。圖中電阻R12為330Ω，PMOS管的工作電流為1A，因此，采用該電路可耐1A×330Ω=330V的高壓電荷。330V的耐壓指標對普通的電子工程師來講一般是足夠了，因為常用的電子電器產(chǎn)品的交流電為220V。當然如果還需要耐更高的電壓信號，可以將R12電阻加大或選擇導通電流更大的PMOS管。
圖3電容測量外圍電路
PSoC模塊配置設計
圖4是PSoC內(nèi)部模塊配置圖，如上所述，充電測量電路主要由恒流源，比較器和計數(shù)器組成。由于PSoC內(nèi)部集成了可編程恒流源硬件模塊，因此不需要配置，所以我們只需用PSoC內(nèi)部可編程模塊構(gòu)建比較器和計數(shù)器部分。事實上，在PSoC開發(fā)軟件Designer里已構(gòu)建好了包括比較器和計數(shù)器等大量的用戶模塊。用戶只需在PSoCDesigner里選擇比較器和計數(shù)器，然后放置和參數(shù)配置，最后點擊底層驅(qū)動生成即可完成比較器和計數(shù)器的硬件構(gòu)造和生成供應用程序調(diào)用的底層驅(qū)動接口應用函數(shù)。
圖4PSoC內(nèi)部模塊配置圖
軟件設計
整個測量系統(tǒng)的軟件如圖5所示，主要分為主程序和中斷處理子程序兩部分。
主程序流程圖中斷處理流程圖
圖5電容測量軟件流程圖
結(jié)語
該方案具有電路簡單，外圍元器件少，成本低，耐高壓，寬量程，高精度，測量方便等特點，可方便地實現(xiàn)單片電容容量測試產(chǎn)品或子系統(tǒng)。
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