采用集成RISC-SOC混合信号处理器实现微电容测量模块的设计

引言

电容传感器广泛应用于工业、军事等领域。因而对电容特别是对微小电容的精确测量始终是一个很重要的内容。目前大部分测量方法大部分集成化水平低，有的精度不高。电桥法利用电桥平衡原理测量电容，测量结果受桥臂电容性能影响较大。振荡法电路结构简单，但对于待测电容在 100PF以下时，板间的内电容常会污染测量结果；另外，振荡法测电容的抗干扰能力差。本文提出的容抗匹配法是将待测电容接入容抗匹配电路，待测电容在高品质的交流激励下，呈现固定的容抗。通过容抗－电压转换电路，即可得与电容成比例的电压值。经 ADC采样后，可计算电容值。实验结果表明，该方法测电容可以保证测量精度，同时抗干扰能力强。

1 微电容测量模块基本原理

微电容测量模块原理框图如图1所示，外观如图2所示。

该模块包含引线电容抑制电路、容抗电压变换电路、一片集成的RISC-SOC混合信号处理器以及485接口、LCD显示等。模块的工作原理如下：RISC-SOC混合信号处理器芯片按CPU指令，用DDS直接数字频率合成方式，通过12位D/AC产生稳定度优于1/1000，失真度小于1/1000的稳定正弦波，作为测量的激励源。待测电容在该交流激励源作用下，呈现固定的容抗Z。

由式（1）可见 1/Z的大小正比于电容值的大小。通过一个1/Z－电压变换电路即可得与电容值成正比的电压信号，据此可计算出电容值。正弦波表 ROM内存有 64点的正弦波表，保持 DDS频率不变，将波表峰值提高 10倍，量程可缩小 10倍;改变正弦波表的点数为 640点，即可得到频率为 1OOHZ的正弦波，量程则扩大 10倍。因此无需硬件开关，可以通过纯软件的方法切换量程。485接口电路主要按照 Modbus-RTU协议进行数据的传输；LCD进行实时在线的显示工作。引线电容抑制电路用来消除引线本身电容对测量产生的影响，且屏蔽外部干扰。

2 微电容测量模块电路设计

微电容测量设计图如图3所示。

2.1 混合信号处理器

我们选择TI公司的MSP430F4270单片机作为混合信号处理器。MSP430F4270单片机集成了16位RISC处理器、12位DAC、16位ADC、32K代码存储器、液晶驱动器、液晶偏压发生器、看门狗等大量CPU外部资源。利用4270单片机的12位DAC，在中断中以查表DDS的方式产生1KHZ的正弦波作为测量电路的激励源。测量结果被4270单片机的16位ADC采样后换算成电容值。最终的测量结果显示在段码液晶上。由于内部集成液晶控制器和偏压发生电路，硬件上只需要将液晶和段码控制脚直连即可。转换结果也可通过485接口与外界通信。4270单片机没有串口，只能用软件模拟实现串口。4270的手册推荐用32K外部晶体，倍频得到CPU时钟。但考虑到内部倍频的锁频环(FLL)存在频率抖动，干扰正弦波，故倍频率应尽量低。本系统选4MHz外晶体，2倍频(FLL最低倍频值)得到8MHz系统时钟。

2.2 电容测量电路

电容测量电路如图4所示。DDS产生的正弦波是电压范围0-1.2V 的正弦波，即直流0.6V ，峰峰值1.2V的正弦波。首先被C1隔除直流分量，再被运放U3A放大10倍，变成正负对称，峰峰值12V的正弦波。DDS产生的正弦波还残留有高频分量，C2和R2构成低通滤波器，转折频率3KHz，保留激励正弦波，滤除残余高频分量。放大后的正弦电压加在被测电容Cx上，在此激励之下流过Cx的电流被U3B转换成电压值。U3B输出的是输幅度正比于Cx的大小的正弦电压，且与屏蔽引线长度无关。C3用于进一步滤除残余高频。U3C和U3D构成精密检波电路，将U3B的输出交流电压转化成直流电压。运放的输出端不能直接和4270内部的Sigma-Delta型ADC直接连接。需要在采样前增加一RC滤波器。

3 引线电容抑制

由于导线本身具有电容，会对电容测量带来干扰，所以要采取措施来降低或消除引线电容。如图5所示，C y1,Cy2为引线等效电容。C y1在激励源与地之间，和Cx并联，由于激励源很低阻抗，a,c间的电流对a、b间电压几乎没有影响。因此C y1对测量不会造成影响。C y2在b点和地之间。b点用运放给出一个虚地，那么b、c 间无压差。且b、c间分布电容C y2的容量相对较小(几十pF)，阻抗较高，所以b,c间电压几乎为0，无电流通过。由此可知，C y1, Cy2都不会对测量带来影响。图中虚线为屏蔽层，电缆的屏蔽层则完全屏蔽了外干扰电场对测量的影响。

图5 引线抑制电路

4 通讯接口

4.1 微电容测量模块和PC机的接口

如图6所示，测量模块可以通过一支485-232转接器和PC机连接。在PC机上运行CapMonitor软件即可远程操控和察看，也可运行校准和设置。

4.2 微电容测量模块和单片机的接口

单片机的IO口是TTL电平，因此需要一片MAX485或同类485电平收发芯片，参考电路如图7：

如果和51单片机类似的IO口带有弱上拉的单片机可以不需要R3。

5 结束语：本文设计的电容测量模块集成化程度高，功耗低，电容测量误差在200PF以内时 ≤±1%，在200PF以上时 ≤±0.5%，量程可达0-20000PF。既可以做成便携式的电容测量仪，又可以作为一些测量系统中的组成部分。