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采用集成RISC-SOC混合信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)微電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-05-17 08:19 ? 次閱讀
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引言

電容傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。因而對(duì)電容特別是對(duì)微小電容的精確測(cè)量始終是一個(gè)很重要的內(nèi)容。目前大部分測(cè)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(cè)量電容,測(cè)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(jiǎn)單,但對(duì)于待測(cè)電容在 100PF以下時(shí),板間的內(nèi)電容常會(huì)污染測(cè)量結(jié)果;另外,振蕩法測(cè)電容的抗干擾能力差。本文提出的容抗匹配法是將待測(cè)電容接入容抗匹配電路,待測(cè)電容在高品質(zhì)的交流激勵(lì)下,呈現(xiàn)固定的容抗。通過(guò)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(jì)算電容值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法測(cè)電容可以保證測(cè)量精度,同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。

1 微電容測(cè)量模塊基本原理

微電容測(cè)量模塊原理框圖如圖1所示,外觀如圖2所示。

采用集成RISC-SOC混合信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)微電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

該模塊包含引線(xiàn)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(hào)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(hào)處理器芯片按CPU指令,用DDS直接數(shù)字頻率合成方式,通過(guò)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(cè)量的激勵(lì)源。待測(cè)電容在該交流激勵(lì)源作用下,呈現(xiàn)固定的容抗Z。

采用集成RISC-SOC混合信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)微電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

由式(1)可見(jiàn) 1/Z的大小正比于電容值的大小。通過(guò)一個(gè)1/Z-電壓變換電路即可得與電容值成正比的電壓信號(hào),據(jù)此可計(jì)算出電容值。正弦波表 ROM內(nèi)存有 64點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為 640點(diǎn),即可得到頻率為 1OOHZ的正弦波,量程則擴(kuò)大 10倍。因此無(wú)需硬件開(kāi)關(guān),可以通過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸;LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)的顯示工作。引線(xiàn)電容抑制電路用來(lái)消除引線(xiàn)本身電容對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響,且屏蔽外部干擾。

2 微電容測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

微電容測(cè)量設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

采用集成RISC-SOC混合信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)微電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

2.1 混合信號(hào)處理器

我們選擇TI公司的MSP430F4270單片機(jī)作為混合信號(hào)處理器。MSP430F4270單片機(jī)集成了16位RISC處理器、12位DAC、16位ADC、32K代碼存儲(chǔ)器、液晶驅(qū)動(dòng)器、液晶偏壓發(fā)生器、看門(mén)狗等大量CPU外部資源。利用4270單片機(jī)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(cè)量電路的激勵(lì)源。測(cè)量結(jié)果被4270單片機(jī)的16位ADC采樣后換算成電容值。最終的測(cè)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(guò)485接口與外界通信。4270單片機(jī)沒(méi)有串口,只能用軟件模擬實(shí)現(xiàn)串口。4270的手冊(cè)推薦用32K外部晶體,倍頻得到CPU時(shí)鐘。但考慮到內(nèi)部倍頻的鎖頻環(huán)(FLL)存在頻率抖動(dòng),干擾正弦波,故倍頻率應(yīng)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(shí)鐘。

2.2 電容測(cè)量電路

電容測(cè)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(yùn)放U3A放大10倍,變成正負(fù)對(duì)稱(chēng),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(lì)正弦波,濾除殘余高頻分量。放大后的正弦電壓加在被測(cè)電容Cx上,在此激勵(lì)之下流過(guò)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(xiàn)長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。C3用于進(jìn)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(yùn)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。

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3 引線(xiàn)電容抑制

由于導(dǎo)線(xiàn)本身具有電容,會(huì)對(duì)電容測(cè)量帶來(lái)干擾,所以要采取措施來(lái)降低或消除引線(xiàn)電容。如圖5所示,C y1,Cy2為引線(xiàn)等效電容。C y1在激勵(lì)源與地之間,和Cx并聯(lián),由于激勵(lì)源很低阻抗,a,c間的電流對(duì)a、b間電壓幾乎沒(méi)有影響。因此C y1對(duì)測(cè)量不會(huì)造成影響。C y2在b點(diǎn)和地之間。b點(diǎn)用運(yùn)放給出一個(gè)虛地,那么b、c 間無(wú)壓差。且b、c間分布電容C y2的容量相對(duì)較小(幾十pF),阻抗較高,所以b,c間電壓幾乎為0,無(wú)電流通過(guò)。由此可知,C y1, Cy2都不會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)影響。圖中虛線(xiàn)為屏蔽層,電纜的屏蔽層則完全屏蔽了外干擾電場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響。

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圖5 引線(xiàn)抑制電路

4 通訊接口

4.1 微電容測(cè)量模塊和PC機(jī)的接口

如圖6所示,測(cè)量模塊可以通過(guò)一支485-232轉(zhuǎn)接器和PC機(jī)連接。在PC機(jī)上運(yùn)行CapMonitor軟件即可遠(yuǎn)程操控和察看,也可運(yùn)行校準(zhǔn)和設(shè)置。

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4.2 微電容測(cè)量模塊和單片機(jī)的接口

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

采用集成RISC-SOC混合信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)微電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

如果和51單片機(jī)類(lèi)似的IO口帶有弱上拉的單片機(jī)可以不需要R3。

5 結(jié)束語(yǔ):本文設(shè)計(jì)的電容測(cè)量模塊集成化程度高,功耗低,電容測(cè)量誤差在200PF以?xún)?nèi)時(shí) ≤±1%,在200PF以上時(shí) ≤±0.5%,量程可達(dá)0-20000PF。既可以做成便攜式的電容測(cè)量?jī)x,又可以作為一些測(cè)量系統(tǒng)中的組成部分。


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