隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要。參數(shù)的監(jiān)測(cè)分為電量和非電量?jī)纱箢悾瑢?duì)于非電量參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量成功與否主要取決于傳感器的質(zhì)量和對(duì)信號(hào)的提取。由于電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性好、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)及可以進(jìn)行非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，非常適合在高潮濕、高塵埃、強(qiáng)輻射及超低溫等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用［1，2］，因此，對(duì)于某些變化緩慢或微小物理，比較適宜采用電容傳感器進(jìn)行測(cè)量。

目前用于測(cè)量微電容的方法主要是交流法，其測(cè)量原理是通過(guò)激勵(lì)信號(hào)對(duì)被測(cè)電容連續(xù)充放電，形成與被測(cè)電容成比例的電壓或電流信號(hào)，從而測(cè)得被測(cè)電容值。采用此方法測(cè)量的信號(hào)中具有脈動(dòng)噪聲，需要通過(guò)濾波器濾除其脈動(dòng)成分，但濾波器的引入將降低測(cè)量電路信號(hào)采集的速度。所以，本文設(shè)計(jì)了一種基于電荷放大原理的微電容測(cè)量電路，該電路中使用的模擬開(kāi)關(guān)存在電荷注入效應(yīng)，此效應(yīng)影響電路的分辨率。為了解決該問(wèn)題，本文從微電容測(cè)量電路中的電荷注入效應(yīng)入手，對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)合單片機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于Proteus和Keil軟件設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，進(jìn)而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

1微電容測(cè)量電路中的電荷注入效應(yīng)

基于電荷放大原理的微電容測(cè)量電路如圖1所示。

圖中Vin為充放電的激勵(lì)電壓源，CX為傳感器兩極板之間的電容即待測(cè)電容；S1～S5為模擬開(kāi)關(guān)；運(yùn)放A1、電容Cf、電阻Rf和開(kāi)關(guān)S3構(gòu)成電荷放大器；開(kāi)關(guān)S4和S5及運(yùn)放A2和A3構(gòu)成兩個(gè)采樣保持器，A4為儀表放大器。模擬開(kāi)關(guān)基本上由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管并聯(lián)而成，是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平?jīng)Q定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時(shí)，輸出端的狀態(tài)取決于輸入端的狀態(tài)；當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則不管輸入端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。

模擬開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)是影響該電路分辨率的主要因素。電荷注入效應(yīng)機(jī)理主要有兩方面：一是由溝道電荷造成的，如圖2（a）所示，根據(jù)MOS器件的原理，當(dāng)一個(gè)MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，SiO2-Si界面的反型層存儲(chǔ)一定電荷量，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電荷通過(guò)源端和漏端流出，流入測(cè)量電路；二是由柵源間和柵漏間的寄生電容存儲(chǔ)的電荷釋放流入測(cè)量電路造成的［3-4］， 如圖2（b）所示。由電荷注入效應(yīng)引起的誤差遠(yuǎn)大于被測(cè)量CX的值，引起電荷注入效應(yīng)。

2 開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)分析

電子開(kāi)關(guān)控制時(shí)序設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

首先斷開(kāi)S3，電路只受S3的電荷注入效應(yīng)影響。當(dāng)開(kāi)關(guān)S3斷開(kāi)時(shí)，由于電荷注入效應(yīng)，電荷將流向A1的輸出端和反相輸入端，流向A1輸出端的電荷產(chǎn)生的影響很小，僅引起輸出波形的瞬時(shí)微小失真，而流向A1反相輸入端的電荷對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，但A4采用差動(dòng)式設(shè)計(jì)較好地解決了這部分的影響。

對(duì)開(kāi)關(guān)S1與S2的電荷注入效應(yīng)。由圖3可知S2關(guān)斷時(shí)間晚于S3，S1關(guān)斷時(shí)間晚于S2。S2斷開(kāi)時(shí)的電荷注入效應(yīng)引起V1點(diǎn)較小的波形失真，關(guān)閉S1，盡管有S2的電荷注入效應(yīng)，但V1被置為輸入電壓Vin，因此，被測(cè)電容Cx上的電壓不受S2的電荷注入效應(yīng)影響；S1斷開(kāi)時(shí)的注入電荷，會(huì)沿著已閉合的開(kāi)關(guān)S2流向地，S1不會(huì)對(duì)被測(cè)電容Cx產(chǎn)生影響。所以，S1和S2對(duì)輸出基本不產(chǎn)生影響。

對(duì)開(kāi)關(guān)S4與S5的電荷注入效應(yīng)。S4與S5在斷開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)會(huì)使A2和A3的輸出波形有微小失真，但相對(duì)于輸出值較小，可以忽略，而且A4采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)輸入會(huì)使S4與S5的電荷注入效應(yīng)相互抵消，故S4與S5的電荷注入效應(yīng)不會(huì)對(duì)最終的輸出Vo產(chǎn)生影響。

由以上分析可知，通過(guò)合理設(shè)計(jì)模擬開(kāi)關(guān)控制時(shí)序，解決了其關(guān)斷時(shí)引入的電荷注入效應(yīng)。

3 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)時(shí)序的相關(guān)軟件

3.1 Keil C51簡(jiǎn)介

Keil是德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)的單片機(jī)編譯器。Keil C51是目前最流行的51單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，現(xiàn)在Keil公司的編譯器有支持經(jīng)典80C51和80C51派生產(chǎn)品的版本。新版本μVision2把μVision1用的模擬調(diào)試器dScope與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫地結(jié)合起來(lái)，界面更友好，使用更方便，支持的單片機(jī)品質(zhì)更多。對(duì)于使用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)開(kāi)發(fā)的用戶，Keil C51已成為必備的開(kāi)發(fā)工具。

Keil C51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，Keil C51提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE（Intergrated Development Environment）？滋Vision，包括C51編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，支持匯編、PLM語(yǔ)言和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的過(guò)程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各階段都集成在一個(gè)環(huán)境中，先用編輯器編寫程序，再調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯，連接后即可直接運(yùn)行［5，6］。

本軟件采用Keil C51進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序可讀性強(qiáng)。

3.2 Proteus簡(jiǎn)介

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試與測(cè)試的EDA工具。Proteus除了具有和其他EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，最大的特點(diǎn)在于其電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，真正實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有硬件目標(biāo)原形的情況下對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試、測(cè)試、驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，建立了一個(gè)完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。Proteus產(chǎn)品系列可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的外圍電子器件儀器仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。

Proteus是一款電路分析與實(shí)物仿真軟件，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，具有實(shí)驗(yàn)資源豐富、實(shí)驗(yàn)周期短、硬件投入少、實(shí)驗(yàn)過(guò)程損耗小、與實(shí)際設(shè)計(jì)接近程度大等特點(diǎn)［7-9］。

4 開(kāi)關(guān)時(shí)序的設(shè)計(jì)與仿真

開(kāi)關(guān)時(shí)序設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，圖中采用80C51芯片，其中管腳XTAL1、XTAL2接時(shí)鐘控制器，RST端上電，5個(gè)輸出管腳P1.0～P1.4分別控制開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4和S5，電源VCC為+5 V的直流電源。

4.1 程序設(shè)計(jì)

在Keil平臺(tái)進(jìn)行如圖5所示的程序編譯。

程序代碼如下：

#include《reg51.h》

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit s1=P1^0; //控制開(kāi)關(guān)1

sbit s2=P1^1; //控制開(kāi)關(guān)2

sbit s3=P1^2; //控制開(kāi)關(guān)3

sbit s4=P1^3; //控制開(kāi)關(guān)4

sbit s5=P1^4; //控制開(kāi)關(guān)5

bit flag，flag1，flag2，flag3;

uchar ds，ds1，ds2，ds3;

uint jishi;

void Initialization（） //初始化函數(shù)

{

EA=1;

ET0=1;

TMOD=0X02; //定時(shí)器工作方式為2

TH0=0x06; //定時(shí)250 ？滋s

TL0=0x06;

TR0=1;

s1=0;

s2=1;

s3=1;

s4=1;

s5=1;

flag1=1;flag2=0;flag3=0;

}

void inte（） interrupt 1 using 3 //1s中斷處理函數(shù)

{

if（++jishi==40） //時(shí)間間隔4000×250 ？滋s=1 s

{

jishi=0;

if（flag1）{ds1++;}

if（flag2）{ds2++;}

if（flag3）{ds3++;}

}

}

void main （）

{

Initialization（）;

while（1）

{

if（flag1）

{

if（ds1==4）{s3=0;}

if（ds1==11）{s5=0;}

if（ds1==12）{s2=0;}

if（ds1==13）{s1=1;}

if（ds1==20）{s4=0;flag1=0;flag2=1;}

}

if（flag2）

{

if（ds2==1）{s3=1;}

if（ds2==2）{s5=1;}

if（ds2==9）{s2=1;}

if（ds2==10）{s1=0;}

if（ds2==17）{s4=1;flag2=0;flag3=1;ds2=0;}

}

if（flag3）

{

if（ds3==7）{s3=0;}

if（ds3==14）{s5=0;}

if（ds3==15）{s2=0;}

if（ds3==16）{s1=1;}

if（ds3==23）{s4=0;flag2=1;flag3=0;ds3=0;}

}

}

}

4.2 仿真

編寫好程序代碼后將該程序文件加載到當(dāng)前項(xiàng)目中進(jìn)行編譯，編譯通過(guò)后進(jìn)行仿真。單擊Debug菜單下的Go菜單項(xiàng)連續(xù)運(yùn)行程序，再切換至Proteus界面，可看到電路開(kāi)始仿真運(yùn)行，結(jié)果如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果和LED實(shí)時(shí)動(dòng)作情況的分析，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的程序與外圍電路設(shè)計(jì)的正確性，提高了調(diào)試效率。采用該仿真設(shè)計(jì)方法可以大大簡(jiǎn)化硬件電路測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程，而且使用該方法進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開(kāi)發(fā)成功后再進(jìn)行實(shí)際制作，可以提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本，提升開(kāi)發(fā)速度。