電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高,、工作可靠,、動態(tài)響應(yīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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?。?fF～10 pF）,，又存在傳感器及其連接導(dǎo)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(shù)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(shè)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(shè)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(guān)能大大減小電荷注入效應(yīng)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(guān)K1,，K2斷路,，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi),，電容C1,、C2的充電電壓為U1、U2,。由電容基本公式可得：

圖1 實現(xiàn)測量的電路原理圖

　　令△U=U1-U2,，則電壓差△U經(jīng)過放大后，通過MSP430單片機的AD轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲的同時,，單片機控制K1,、K2閉合，在T2時間內(nèi),，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(jié)束,，充放電時序見圖2,。

圖2 充放電時序圖

　　在整個過程中，單片機要產(chǎn)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(shè)計

　　2.1 恒流源的設(shè)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(shè)計中的兩個恒流源要求輸出電流相等,，具體設(shè)計如圖3。

圖3 恒流源原理圖

　　由虛短虛斷可得：

　　故得：

　　設(shè)：

　　經(jīng)過運算可以得到：

　　因Vi是采用單片機AD轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系,。

　　2.2 放大電路的設(shè)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(shè)計的要求,。

　　C1和C2兩個電容由相應(yīng)的恒流源在相同的時間內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)信號與INA128放大后的結(jié)果。

圖4 標(biāo)題信號與輸出放大

　　3 軟件設(shè)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(dāng)需要測量電容信號時,，將觸發(fā)信號置高,，如果20 s內(nèi)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(yù)設(shè)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(dǎo)入閃存預(yù)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(fù)無數(shù)次讀取并顯示測量結(jié)果,。系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計如圖5,。

圖5 系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計

　　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(jié)果

　　傳感器的標(biāo)定就是通過實驗確定傳感器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系，用以確定傳感器系統(tǒng)的線性度,、靈敏度和重復(fù)性等靜態(tài)性能指標(biāo),。

　　表1為測量0～5pF電容的數(shù)據(jù)。由最小二乘法相關(guān)計算公式可得,，擬合直線為y=0.993x+0.049,，重復(fù)性誤差為1.77％，非線性誤差為0.84％,，基本誤差為2.61％,。

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的同一塊PCB可以移植到許多電容式傳感器的設(shè)計中去,。