微小電容測(cè)量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大,、測(cè)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(hào)往往很?。?fF～10pF），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(duì)電容信號(hào)的測(cè)量電路提出了非常高的要求,，如此微小的電容信號(hào)的測(cè)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(duì)兩個(gè)微小電容進(jìn)行充電檢測(cè)的方法,。本設(shè)計(jì)僅由單片機(jī)和少數(shù)芯片即可以實(shí)現(xiàn)電容的高精度,，高頻率測(cè)量。由于采用了差動(dòng)式測(cè)量,，本設(shè)計(jì)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(cè)0～5pF的實(shí)驗(yàn)中,，采樣頻率可以達(dá)到100kHz,，有效精度位最高可達(dá)12位。
1 原理分析
實(shí)現(xiàn)測(cè)量的電路原理如圖1所示,，其完整的測(cè)量過程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模擬開關(guān)K1,，K2斷路,，標(biāo)準(zhǔn)電容Cl和待測(cè)電容C2由相同的兩個(gè)恒流源I1和I2進(jìn)行充電；在相同的時(shí)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(shí)現(xiàn)測(cè)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(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí),，單片機(jī)控制K1、K2閉合,，在T2時(shí)間內(nèi),，使C1，C2兩端的短路,，兩電容兩端電壓降到零,，此時(shí)完成放電過程。
至此,，一次完整的采樣過程結(jié)束,，充放電時(shí)序見圖2。
圖2 充放電時(shí)序圖
在整個(gè)過程中,，單片機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)頻率為100kHz，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(chǔ),。其中,，T1的最大值小于充電時(shí)間，T2的最小值大于放電時(shí)間,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 恒流源的設(shè)計(jì)
恒流源是整個(gè)測(cè)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(cè)量的精度。本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)恒流源要求輸出電流相等,，具體設(shè)計(jì)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(yùn)算可以得到：
因Vi是采用單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電壓1.5V,，UL≤1.5V,，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1.5V時(shí),，該電路輸出電流為恒定值,，與負(fù)載電阻RL沒有關(guān)系。
2.2 放大電路的設(shè)計(jì)
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(shí)帶寬可達(dá)200kHz,，完全滿足了設(shè)計(jì)的要求。
C1和C2兩個(gè)電容由相應(yīng)的恒流源在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充電,，兩電容充電電壓差由INA128進(jìn)行放大,，并送入單片機(jī)進(jìn)行采樣存儲(chǔ)。圖4為充放電標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與INA128放大后的結(jié)果,。
圖4 標(biāo)題信號(hào)與輸出放大
3 軟件設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)接入電源后進(jìn)入低功耗狀態(tài),，需要外部電平信號(hào)才能喚醒,。為了避免系統(tǒng)的誤開始測(cè)量，當(dāng)需要測(cè)量電容信號(hào)時(shí),，將觸發(fā)信號(hào)置高,，如果20s內(nèi)觸發(fā)信號(hào)一直置高，則系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采集存儲(chǔ)狀態(tài),。為得到包括觸發(fā)前和觸發(fā)后的完整電容信號(hào)曲線,，一旦電容信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)的觸發(fā)值，系統(tǒng)便進(jìn)入觸發(fā)態(tài),，將電容信號(hào)存儲(chǔ)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(jìn)入待讀數(shù)態(tài)，此時(shí)插上USB接口,，接收到計(jì)算機(jī)的讀數(shù)命令之后即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī),，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(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)如圖5,。
圖5 系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)低功耗的系統(tǒng),，電路不工作時(shí)，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(shí)都處于全功耗態(tài),。
4 測(cè)量結(jié)果
傳感器的標(biāo)定就是通過實(shí)驗(yàn)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(cè)量0～5pF電容的數(shù)據(jù),。由最小二乘法相關(guān)計(jì)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(jì)的核心硬件由芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，省去了昂貴的電容測(cè)量芯片,，由低功耗,，低成本的數(shù)字芯片組成，有效降低了測(cè)量系統(tǒng)的成本,。整個(gè)系統(tǒng)電路板面積小于2.7cm2,，工作電流小于8mA，低功耗電流為0.02uA,，由于待測(cè)電容和標(biāo)準(zhǔn)電容均有接地端,，所以具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并體現(xiàn)了低功耗,、體積小等優(yōu)點(diǎn),。本測(cè)量方案可以非常靈活，實(shí)現(xiàn)模塊化,，所設(shè)計(jì)的同一塊PCB可以移植到許多電容式傳感器的設(shè)計(jì)中去,。