双斜波法测量微小电容电路的研究与设计

韩建++何学兰+++黄颖

文章编号： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金项目： 黑龙江省科技厅自然科学基金项目(F201108)。

摘要： 微小电容的测量技术成为电容传感器技术被广泛应用的关键,针对目前小电容测量电路存在的问题,提出一种基于测量三角波斜度的小电容检测方法,采用PIC单片机为主的测量电路,电容检测分辨率可达0.005 pF。此小电容测量系统具有高精度和稳定度、测量范围广、测量时间短的特点,适合于实时可视化测量。

关键词： 微小电容; 三角波斜度; 宽范围

中图分类号： TB 125文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

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。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。

光学仪器第36卷

第2期韩建，等：双斜波法测量微小电容电路的研究与设计

1.1第一测量阶段第一测量阶段的等效电路和电压波形图如图3所示,CINT是积分电容,CSEN被看作是开关电容电阻,对积分电容充电,电压VINT以指数形式增大逼近VDD,比较器检测VINT是否达到参考电压VRH,定时器测出这段时间［5］。

图1小电容检测电路示意图

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit图2小电容实现电路

Fig.2Small capacitance circuit

图3第一测量阶段

Fig.3First measurement

由电容充放电原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW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/CINT。VINT从VRL经过k1个时钟周期达到VRH,VINT实质是由一系列的周期电压组成,如图3(b)所示,当CINT远远大于CSEN且采样为24位A/D时,VINT可以近似成一条曲线,即RC充放电时间。

1.2第二测量阶段第二测量阶段是校对,使RCAL、CINT、CSEN都接地,电压VINT以指数方式递减至下限参考电压VRL,计数器计数为k2,第二测量阶段等效电路和VINT随时间变化情况如图4所示。

图4第二阶段测量

Fig.4Second measurement

在第二测量阶段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)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CSEN越小时,这种影响会越明显,为了减小误差,把这些寄生电容CPAR看成与CSEN并联,即k1、k2可以写成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)图5测量值与真实值对比图

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是当CSEN小于四倍的CPAR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:ΔCINTCINT≈Δk1k1•CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1•CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2•CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)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:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此测量系统的测量误差在0.002 1 pF左右,误差较小,符合一般信号的测量要求。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。参考文献：

［1］江水,顾明.基于充放电原理实现的微电容测量电路［J］.电气电子教学学报,2002,24(3):3031.

［2］冯勇建.MEMS高温接触式电容压力传感器［J］.仪器仪表学报,2006,27(7):804807.

［3］李新娥,马铁华,祖静,等.基于充放电原理的小电容测量电路［J］.探测与控制学报,2012,34(2):4246.

［4］李锻炼,向平,何明一.抗寄生干扰的小电容测量电路研究［J］.仪表技术与传感器,1997(7):2832.

［5］邱桂苹,于晓洋,陈德运.微小电容测量电路［J］.黑龙江电力,2006,28(5):362366.

［6］吕海宝,黄锐,楚兴春.分布式光纤传感技术［J］.光学仪器,1997,19(3):1117.第36卷第2期2014年4月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.2April, 2014

文章编号： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金项目： 黑龙江省科技厅自然科学基金项目(F201108)。

摘要： 微小电容的测量技术成为电容传感器技术被广泛应用的关键,针对目前小电容测量电路存在的问题,提出一种基于测量三角波斜度的小电容检测方法,采用PIC单片机为主的测量电路,电容检测分辨率可达0.005 pF。此小电容测量系统具有高精度和稳定度、测量范围广、测量时间短的特点,适合于实时可视化测量。

关键词： 微小电容; 三角波斜度; 宽范围

中图分类号： TB 125文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

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。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。

光学仪器第36卷

第2期韩建，等：双斜波法测量微小电容电路的研究与设计

1.1第一测量阶段第一测量阶段的等效电路和电压波形图如图3所示,CINT是积分电容,CSEN被看作是开关电容电阻,对积分电容充电,电压VINT以指数形式增大逼近VDD,比较器检测VINT是否达到参考电压VRH,定时器测出这段时间［5］。

图1小电容检测电路示意图

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit图2小电容实现电路

Fig.2Small capacitance circuit

图3第一测量阶段

Fig.3First measurement

由电容充放电原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW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/CINT。VINT从VRL经过k1个时钟周期达到VRH,VINT实质是由一系列的周期电压组成,如图3(b)所示,当CINT远远大于CSEN且采样为24位A/D时,VINT可以近似成一条曲线,即RC充放电时间。

1.2第二测量阶段第二测量阶段是校对,使RCAL、CINT、CSEN都接地,电压VINT以指数方式递减至下限参考电压VRL,计数器计数为k2,第二测量阶段等效电路和VINT随时间变化情况如图4所示。

图4第二阶段测量

Fig.4Second measurement

在第二测量阶段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)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CSEN越小时,这种影响会越明显,为了减小误差,把这些寄生电容CPAR看成与CSEN并联,即k1、k2可以写成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)图5测量值与真实值对比图

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是当CSEN小于四倍的CPAR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:ΔCINTCINT≈Δk1k1•CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1•CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2•CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)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:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此测量系统的测量误差在0.002 1 pF左右,误差较小,符合一般信号的测量要求。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。参考文献：

［1］江水,顾明.基于充放电原理实现的微电容测量电路［J］.电气电子教学学报,2002,24(3):3031.

［2］冯勇建.MEMS高温接触式电容压力传感器［J］.仪器仪表学报,2006,27(7):804807.

［3］李新娥,马铁华,祖静,等.基于充放电原理的小电容测量电路［J］.探测与控制学报,2012,34(2):4246.

［4］李锻炼,向平,何明一.抗寄生干扰的小电容测量电路研究［J］.仪表技术与传感器,1997(7):2832.

［5］邱桂苹,于晓洋,陈德运.微小电容测量电路［J］.黑龙江电力,2006,28(5):362366.

［6］吕海宝,黄锐,楚兴春.分布式光纤传感技术［J］.光学仪器,1997,19(3):1117.第36卷第2期2014年4月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.2April, 2014

文章编号： 10055630(2014)02010004

收稿日期： 20130829

基金项目： 黑龙江省科技厅自然科学基金项目(F201108)。

摘要： 微小电容的测量技术成为电容传感器技术被广泛应用的关键,针对目前小电容测量电路存在的问题,提出一种基于测量三角波斜度的小电容检测方法,采用PIC单片机为主的测量电路,电容检测分辨率可达0.005 pF。此小电容测量系统具有高精度和稳定度、测量范围广、测量时间短的特点,适合于实时可视化测量。

关键词： 微小电容; 三角波斜度; 宽范围

中图分类号： TB 125文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.002

Research and design of double oblique wave method for

small capacitance measurement circuit

HAN Jian1,2, HE Xuelan1,2, HUANG Ying1,2

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.The UniversityEnterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instruments and

Meters Engineering in Heilongjiang Province, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract： Small capacitance measurement known as the key of the capacitance sensor technology is widely used. Aiming at the problems of small capacitance measurement circuit, this paper proposes a small capacitance detection method based on measuring the triangle wave slope. Using PIC microcontroller measuring circuit, capacitance detection resolution is 0.005 pF. The small capacitance measuring system with high accuracy and stability, wide measurement range, short measurement time, is suitable for realtime visualization measurement.

Key words： small capacitance; triangle wave slope; wide measurement range

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。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。

光学仪器第36卷

第2期韩建，等：双斜波法测量微小电容电路的研究与设计

1.1第一测量阶段第一测量阶段的等效电路和电压波形图如图3所示,CINT是积分电容,CSEN被看作是开关电容电阻,对积分电容充电,电压VINT以指数形式增大逼近VDD,比较器检测VINT是否达到参考电压VRH,定时器测出这段时间［5］。

图1小电容检测电路示意图

Fig.1Schematic diagram of the small

capacitance detection circuit图2小电容实现电路

Fig.2Small capacitance circuit

图3第一测量阶段

Fig.3First measurement

由电容充放电原理可知:VINT=0,t<0

VINT=VDD(1－e－t/τ1),t≥0(1)

RSEN=TSW/CSEN

τ1=RSENCSEN(2)其中TSW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/CINT。VINT从VRL经过k1个时钟周期达到VRH,VINT实质是由一系列的周期电压组成,如图3(b)所示,当CINT远远大于CSEN且采样为24位A/D时,VINT可以近似成一条曲线,即RC充放电时间。

1.2第二测量阶段第二测量阶段是校对,使RCAL、CINT、CSEN都接地,电压VINT以指数方式递减至下限参考电压VRL,计数器计数为k2,第二测量阶段等效电路和VINT随时间变化情况如图4所示。

图4第二阶段测量

Fig.4Second measurement

在第二测量阶段中有:VINT=VSEN=VRH,t<0

VINT=VRHe－t/τ2,t≥0(3)

τ2=RCAL(CINT+CSEN)

k2=RCAL(CINT+CSEN)ln(VRH/VRL)TSW(4)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CSEN越小时,这种影响会越明显,为了减小误差,把这些寄生电容CPAR看成与CSEN并联,即k1、k2可以写成［6］:k1=ln(VDD/(VDD－VRH))(CSEN+4CPAR)/CINT

k2=RCAL(CINT+CSEN+3CPAR)ln(VRH/VRL)TSW(5)图5测量值与真实值对比图

Fig.5Contrast diagram of measured and true value由此可知,k1和k2的值越大,CINT和CSEN的分辨率越高,但是当CSEN小于四倍的CPAR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:ΔCINTCINT≈Δk1k1•CSEN+4CPARCINT,Δk2=0

ΔCINTCINT≈Δk2k2,Δk1=0(6)

ΔCSENCSEN≈Δk1k1•CSEN+4CPARCSEN,Δk2=0

ΔCSENCSEN≈Δk2k2•CSEN+4CPARCSEN,Δk1=0(7)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:δ=∑din=0.3+0.6+0.8+0.2+…+1.2+1.5+0.2+0.425≈0.002 1可以看出此测量系统的测量误差在0.002 1 pF左右,误差较小,符合一般信号的测量要求。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。参考文献：

［1］江水,顾明.基于充放电原理实现的微电容测量电路［J］.电气电子教学学报,2002,24(3):3031.

［2］冯勇建.MEMS高温接触式电容压力传感器［J］.仪器仪表学报,2006,27(7):804807.

［3］李新娥,马铁华,祖静,等.基于充放电原理的小电容测量电路［J］.探测与控制学报,2012,34(2):4246.

［4］李锻炼,向平,何明一.抗寄生干扰的小电容测量电路研究［J］.仪表技术与传感器,1997(7):2832.

［5］邱桂苹,于晓洋,陈德运.微小电容测量电路［J］.黑龙江电力,2006,28(5):362366.

［6］吕海宝,黄锐,楚兴春.分布式光纤传感技术［J］.光学仪器,1997,19(3):1117.第36卷第2期2014年4月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.2April, 2014