引 言

电容式传感器由于高灵敏度、响应快、无需接触测量等优点被广泛应用于各种测量和控制系统中,用来测量各种变化的参数,如液位计、压力表、加速度计、精密定位和表面粗糙度检测等^[1]。在这些应用中电容通常的变化范围为0.1～100 pF,因此需要有一种小电容检测电路,小电容测量方法有许多种,但实时准确测量还是当前技术的难点。目前的测量方法有共振法、电桥法、相位法等,在共振法中,因为LC电路受谐振频率所驱动,所以信噪比与品质因数成比例^[2];虽然电桥法精度高,但其价格昂贵而且非线性输出,尤其是在测量小电容值时,还易受杂散电容的影响;相位检测法是一种经济有效的方法,但是很难选取一个合适的电阻值以获得最大的灵敏度。针对以上情况,本文介绍一种低成本、高灵敏度、测量范围大的小电容检测电路^[3]。

1 小电容检测电路原理

根据当前的检测信号特点,设计了基于双斜波原理的小电容测量电路，其原理框图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 小电容检测电路示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the small capacitance detection circuit

该测量电路以基于积分电容上电压值与参考电压值比较原理的信号调理电路取代了以小电容检测芯片PS021为主的信号调理电路,它主要由比较器、电源管理模块、20M高速晶振、PIC单片机和USB转换接口组成^[4]。由分立元件的搭建取代了集成芯片PS021,定时器对积分电容的充放电时间进行计数,得到计数值与电容值的关系式,从而得到电容值的大小。

电容传感器测量电路如图 2所示,PIC单片机提供时序、内部参考电压和比较器来测量R-C充放电反应时间,电路测量需要两个测量阶段。

图 2

Fig. 2

图 2 小电容实现电路 Fig. 2 Small capacitance circuit

第一测量阶段的等效电路和电压波形图如图 3所示,C_INT是积分电容,C_SEN被看作是开关电容电阻,对积分电容充电,电压V_INT以指数形式增大逼近V_DD,比较器检测V_INT是否达到参考电压V_RH,定时器测出这段时间^[5]。

由电容充放电原理可知:

其中T_SW为时钟周期,综合式(1)和式(2)可得定时器计数值:k₁= ln(VDD/(VDD－VRH)) CSEN/C_INT 。

V_INT从V_RL经过k₁个时钟周期达到V_RH,V_INT实质是由一系列的周期电压组成,如图 3(b)所示,当C_INT远远大于C_SEN且采样为24位A/D时,V_INT可以近似成一条曲线,即R-C充放电时间。

图 3

Fig. 3

图 3 第一测量阶段 Fig. 3 First measurement

第二测量阶段是校对,使R_CAL、C_INT、C_SEN都接地,电压V_INT以指数方式递减至下限参考电压V_RL,计数器计数为k₂,第二测量阶段等效电路和V_INT随时间变化情况如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 第二阶段测量 Fig. 4 Second measurement

在第二测量阶段中有:

综合以上方程可知,通过计数值便可知道电容值得大小。

2 分辨率和测量结果分析

由于单片机输入引脚寄生电容的存在,给测量结果带来一定的误差,当C_SEN越小时,这种影响会越明显,为了减小误差,把这些寄生电容C_PAR看成与C_SEN并联,即k₁、k₂可以写成^[6]:

图 5

Fig. 5

图 5 测量值与真实值对比图 Fig. 5 Contrast diagram of measured and true value

由此可知,k₁和k₂的值越大,C_INT和C_SEN的分辨率越高,但是当C_SEN小于四倍的C_PAR时,分辨率会受到严重的影响,综合考虑给出标准分辨率方程:

由式(6)和式(7)可知:当测出Δk₁、Δk₂即可知道电容值的变化量。

通过测量25个不同大小的电容值,得出测量值与理论值如图 5所示,由此可以算得误差大小为:

3 结 论

本文提出了一种基于充放电原理的小电容测量电路。通过应用少量固件即可进行微小电容的测量,由于电容一端接地使得并联寄生电容值较小,同时采用三角波电压测定法,使得所设计的测量电路具有时序计算精度高、运放稳定性强、操作过程简便等特点,在非接触测量微小信号方面具有开发潜力。