一种基于TDC的微小电容测量电路的制作方法

本发明涉及一种微小电容测量电路，尤其是涉及一种基于TDC的微小电容测量电路。

背景技术：

电容式传感器输出的电容信号往往很小(1 fF~10 pF)，又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响,这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求，如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。

电容测量电路( 包括通用电容检测芯片) 都有一个对传感器电容进行充放电的过程，将电容量转换为电压、电流等非电容量。目前的测量电路多数采用电荷转移法或交流法，即将电容量转换为电压或电流，电路往往受到电子开关的电荷注入效应的影响，而且其提高测量速度和提高分辨力的矛盾难以解决。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于TDC的微小电容测量电路，将电容测量转化为精准时间测量，传感器电容与基准电容的比值等于两者放电实践的比值，可以大大减小传统测量方法中电荷注入效应的影响。

本发明所采用的技术方案是：

本基于TDC的微小电容测量电路主要包括电池、传感器、电源管理模块、控制模块、模拟前端、数据读出接口等。模拟前端将传感器产生的电容信号转换成相应的24位数字量；控制模块通过SPI接口对模拟前端进行控制、设置，并将数字量存入控制模块的闪存；数据采集完毕之后通过USB接口传到计算机中使用VisualBasic6.0 软面板显示测量结果曲线;电源管理部可对控制模块和模拟前端进行分时可控供电。

所述的模拟前端主要由芯片PS∅21构成，PS∅21芯片是基于TDC ( 时间数字转换) 技术研制的，这种数字测量原理提供非常高的测量灵活性，具有很宽的电容测量范围，从0fF到几百nF(无限制)。

所述的控制模块采用美国TI公司的超低功耗微控制器MSP430FG4618，它具有8KB的RAM，113KB的闪存。控制模块主要是编写单片机的控制程序实现以下功能：在保证其SPI通信正确之后，由单片机负责发送读写命令设置PS∅21并控制其测量的启停，并由单片机接收存储数字信号，实现数字内触发，触发前RAM 循环存储采样数据，触发后将数据存入闪存中，采集完毕时数据存储实现3 KB 的负延时（即存储触发前采集的3KB数据）。

所述的数据读出接口主要采用串口转USB接口芯片68013,只需要4根线(STE、UCLK、MISO、MOSI) 即可实现与计算机的数据通信，传输速率能够达到2Mb/s，可以满足测量结果实时动态显示的要求。

所述的电源管理模块选用LDO芯片LP5966输出2个独立的3.3V电压，分别供给控制模块和模拟前端；选用电荷泵芯片MAX1595输出5V供给模拟前端；两个个芯片的供电直接由电池提供。

本发明的有益效果是：

基于TDC的微小电容测量电路以PS∅21芯片为核心，把电容测量转化为精确的时间测量，传感器电容与基准电容的比值等于两者放电时间的比值。其内部算法可以很好地抑制寄生电容对测量结果的影响， 内部集成的温度补偿模块还能保证很好的稳定性。若选用高性能模拟开关,则能大大减小电荷注入效应的影响，其高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨力的矛盾。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的硬件电路原理图。

图2是本发明的系统工作状态图。

图3是本发明的测量原理图。

图4是本发明的电源管理图。

具体实施方式

如图1所示，本基于TDC的微小电容测量电路主要包括电池、传感器、电源管理模块、控制模块、模拟前端、数据读出接口等。PS∅21芯片将传感器产生的电容信号转换成相应的24位数字量；MSP430通过SPI接口对PS∅21进行控制、设置，并将数字量存入MSP430的闪存；数据采集完毕之后通过USB 接口传到计算机中使用VisualBasic 6.0软面板显示测量结果曲线; 电源管理部可对MSP430和PS∅21进行分时可控供电。

如图2所示，为实现低功耗，系统上电后进入超低功耗状态LPM4。为了避免系统的误动作，当需要测量电容信号时，将ON信号置高,如果30s内ON 信号一直置高，则系统进入循环采集存储的状态。为得到包括触发前和触发后的完整电容信号曲线，一旦电容信号达到预设的触发值，系统便进入触发态，将电容信号存储到闪存，闪存存满后，将RAM中的数据导入闪存预留地址。之后，系统进入待读数态，此时插上USB接口，接收到计算机的读数命令之后即可将数据发送至计算机，并且在第一次读取数据之后和掉电以后再上电可重复无数次读取并显示测量结果。为实现低功耗的系统，电路不工作时， 即接通电源态和待读数态，系统处于超低功耗态LPM4；工作时都处于全功耗态AM（除不工作状态以外的状态）。

如图3所示，PS∅21控制模拟开关A1、A2 轮流通断，两者导通时间相等，两个电容依次轮流在导通时间内充放电。对任意一个电容充放电时，在模拟开关的公共端充电到V_cap时施密特触发器输出引脚产生一个翻转信号Start ，然后在放电到V_trig时输出引脚产生一个翻转信号Stop。Start和Stop之间的时间间隔被TDC单元精确测量。参考电容充放电测得τ₁=RC_ref，传感器电容充放电测得τ₂=RC_sensor，芯片内部算法计算出τ₂/τ₁=C_sensor/C_ref, 其中C_ref为已知电容，最后得到24位的数据，从而实现了对传感器电容的测量。这个测量过程应用相同的放电电阻和施密特触发器，PS∅21控制模拟开关使得充放电重复在两个电容间进行，然后计算出电容测量值的比值。

如图4所示，为实现低功耗设计，在系统的各个工作环节中，由单片机适时控制不同模块的供电开关状态。电路供电选用LDO芯片LP5966输出2个独立的3.3 V 电压：VDD=3.3V供给单片机电源电压，其供电使能一直开着，LVDD=3.3 V 供给PS∅21，由ONA 控制其开关状态；选用电荷泵芯片MAX1595输出HVDD=5V供给PS∅21，由ONB控制其开关状态；2个芯片的电直接由电池提供。