引言

電容傳感器廣泛應用于工業(yè)、軍事等領域。因而對電容特別是對微小電容的精確測量始終是一個很重要的內(nèi)容。目前大部分測量方法大部分集成化水平低，有的精度不高。電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡單，但對于待測電容在 100PF以下時，板間的內(nèi)電容常會污染測量結(jié)果；另外，振蕩法測電容的抗干擾能力差。本文提出的容抗匹配法是將待測電容接入容抗匹配電路，待測電容在高品質(zhì)的交流激勵下，呈現(xiàn)固定的容抗。通過容抗－電壓轉(zhuǎn)換電路，即可得與電容成比例的電壓值。經(jīng) ADC采樣后，可計算電容值。實驗結(jié)果表明，該方法測電容可以保證測量精度，同時抗干擾能力強。

1 微電容測量模塊基本原理

微電容測量模塊原理框圖如圖1所示，外觀如圖2所示。

該模塊包含引線電容抑制電路、容抗電壓變換電路、一片集成的RISC-SOC混合信號處理器以及485接口、LCD顯示等。模塊的工作原理如下：RISC-SOC混合信號處理器芯片按CPU指令，用DDS直接數(shù)字頻率合成方式，通過12位D/AC產(chǎn)生穩(wěn)定度優(yōu)于1/1000，失真度小于1/1000的穩(wěn)定正弦波，作為測量的激勵源。待測電容在該交流激勵源作用下，呈現(xiàn)固定的容抗Z。

由式（1）可見 1/Z的大小正比于電容值的大小。通過一個1/Z－電壓變換電路即可得與電容值成正比的電壓信號，據(jù)此可計算出電容值。正弦波表 ROM內(nèi)存有 64點的正弦波表，保持 DDS頻率不變，將波表峰值提高 10倍，量程可縮小 10倍;改變正弦波表的點數(shù)為 640點，即可得到頻率為 1OOHZ的正弦波，量程則擴大 10倍。因此無需硬件開關(guān)，可以通過純軟件的方法切換量程。485接口電路主要按照 Modbus-RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸；LCD進行實時在線的顯示工作。引線電容抑制電路用來消除引線本身電容對測量產(chǎn)生的影響，且屏蔽外部干擾。

2 微電容測量模塊電路設計

微電容測量設計圖如圖3所示。

2.1 混合信號處理器

我們選擇TI公司的MSP430F4270單片機作為混合信號處理器。MSP430F4270單片機集成了16位RISC處理器、12位DAC、16位ADC、32K代碼存儲器、液晶驅(qū)動器、液晶偏壓發(fā)生器、看門狗等大量CPU外部資源。利用4270單片機的12位DAC，在中斷中以查表DDS的方式產(chǎn)生1KHZ的正弦波作為測量電路的激勵源。測量結(jié)果被4270單片機的16位ADC采樣后換算成電容值。最終的測量結(jié)果顯示在段碼液晶上。由于內(nèi)部集成液晶控制器和偏壓發(fā)生電路，硬件上只需要將液晶和段碼控制腳直連即可。轉(zhuǎn)換結(jié)果也可通過485接口與外界通信。4270單片機沒有串口，只能用軟件模擬實現(xiàn)串口。4270的手冊推薦用32K外部晶體，倍頻得到CPU時鐘。但考慮到內(nèi)部倍頻的鎖頻環(huán)(FLL)存在頻率抖動，干擾正弦波，故倍頻率應盡量低。本系統(tǒng)選4MHz外晶體，2倍頻(FLL最低倍頻值)得到8MHz系統(tǒng)時鐘。

2.2 電容測量電路

電容測量電路如圖4所示。DDS產(chǎn)生的正弦波是電壓范圍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，再被運放U3A放大10倍，變成正負對稱，峰峰值12V的正弦波。DDS產(chǎn)生的正弦波還殘留有高頻分量，C2和R2構(gòu)成低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率3KHz，保留激勵正弦波，濾除殘余高頻分量。放大后的正弦電壓加在被測電容Cx上，在此激勵之下流過Cx的電流被U3B轉(zhuǎn)換成電壓值。U3B輸出的是輸幅度正比于Cx的大小的正弦電壓，且與屏蔽引線長度無關(guān)。C3用于進一步濾除殘余高頻。U3C和U3D構(gòu)成精密檢波電路，將U3B的輸出交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓。運放的輸出端不能直接和4270內(nèi)部的Sigma-Delta型ADC直接連接。需要在采樣前增加一RC濾波器。

3 引線電容抑制

由于導線本身具有電容，會對電容測量帶來干擾，所以要采取措施來降低或消除引線電容。如圖5所示，C y1,Cy2為引線等效電容。C y1在激勵源與地之間，和Cx并聯(lián)，由于激勵源很低阻抗，a,c間的電流對a、b間電壓幾乎沒有影響。因此C y1對測量不會造成影響。C y2在b點和地之間。b點用運放給出一個虛地，那么b、c 間無壓差。且b、c間分布電容C y2的容量相對較小(幾十pF)，阻抗較高，所以b,c間電壓幾乎為0，無電流通過。由此可知，C y1, Cy2都不會對測量帶來影響。圖中虛線為屏蔽層，電纜的屏蔽層則完全屏蔽了外干擾電場對測量的影響。

圖5 引線抑制電路

4 通訊接口

4.1 微電容測量模塊和PC機的接口

如圖6所示，測量模塊可以通過一支485-232轉(zhuǎn)接器和PC機連接。在PC機上運行CapMonitor軟件即可遠程操控和察看，也可運行校準和設置。

4.2 微電容測量模塊和單片機的接口

單片機的IO口是TTL電平，因此需要一片MAX485或同類485電平收發(fā)芯片，參考電路如圖7：

如果和51單片機類似的IO口帶有弱上拉的單片機可以不需要R3。

5 結(jié)束語：本文設計的電容測量模塊集成化程度高，功耗低，電容測量誤差在200PF以內(nèi)時 ≤±1%，在200PF以上時 ≤±0.5%，量程可達0-20000PF。既可以做成便攜式的電容測量儀，又可以作為一些測量系統(tǒng)中的組成部分。