兼具高精度與耐高壓的電容測(cè)量解決方案

　　由于電容元件本身的儲(chǔ)能特性，因此它被廣泛地應(yīng)用于整流，濾波，耦合，振蕩等電路中，幾乎成為現(xiàn)代整機(jī)產(chǎn)品中*的分立元器件。因此，無(wú)論是對(duì)電容生產(chǎn)廠商或整機(jī)設(shè)計(jì)維修工程師來(lái)講，通過(guò)電容測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確地了解電容元件的參數(shù)特性都非常有必要，尤其是模擬電路和射頻電路設(shè)計(jì)工程師。由于電容元件的本身儲(chǔ)能特性，使得人們?cè)跍y(cè)量時(shí)總是會(huì)因?yàn)檫@樣或那樣的原因而忘記先放電再測(cè)量，導(dǎo)致電容測(cè)試儀被燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此自電容測(cè)量?jī)x誕生以來(lái)的過(guò)去幾十年中，人們就一直在探索既保證電容測(cè)量精度的同時(shí)又能防高壓?jiǎn)栴}的*解決方案。正是基于此，本文介紹了一種基于賽普拉斯的8位PSoC芯片為核心，具有高精度，寬量程，耐高壓的電容測(cè)量解決方案。
　　
　　PSoC簡(jiǎn)述
　　
　　PSoC是Cypress半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加可編程恒流源（IDAC），I2C，F(xiàn)lash,SRAM等周邊外圍模塊組成，如圖1所示。　　因此，PSoC除了能實(shí)現(xiàn)一般MCU的功能外，還可通過(guò)可編程模擬和數(shù)字模塊靈活地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。為了方便用戶簡(jiǎn)單而快速地實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設(shè)計(jì)，Cypress基于可編程數(shù)字模擬模塊構(gòu)建了大量的用戶模塊，如可編程運(yùn)算放大器，比較器，6至14位的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，濾波器，8/16/24/32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，脈寬調(diào)制器，觸摸感應(yīng)等模塊。這些用戶模塊將PSoC內(nèi)部的寄存器配置，數(shù)字模塊和模擬模塊之間的內(nèi)部連線，底層API（ApplicationProgramInteRFace,應(yīng)用程序接口）函數(shù)都已設(shè)計(jì)好了。當(dāng)用戶需要某個(gè)數(shù)字模擬外圍功能時(shí)，只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用相應(yīng)的用戶模塊即可實(shí)現(xiàn)。
　　
　　電容容量參數(shù)測(cè)量方法
　　
　　從數(shù)字化與自動(dòng)化測(cè)量角度來(lái)講，電容容量參數(shù)測(cè)量通常有三種方法：容抗法,振蕩法和充電法。
　　
　　容抗法是指利用電容對(duì)交流信號(hào)源所表現(xiàn)出的阻抗特性，通過(guò)測(cè)量電容在某一頻率下的容抗值，再利用z=1/wc（w為角頻率）關(guān)系式根據(jù)已知信號(hào)源的角頻率w計(jì)算出待測(cè)電容容量的方法。這種方法能較好地反映出電容元件交流頻率特性，可用來(lái)測(cè)量電容元件的多方面參數(shù)特性，例如容量，介質(zhì)損耗等，是當(dāng)前電容測(cè)試儀產(chǎn)品應(yīng)用zui廣的一種方法。但是，它有一個(gè)缺點(diǎn)：電容的充電和放電同處于一個(gè)回路之中，要做到既能保證測(cè)量精度又能防高壓設(shè)計(jì)比較困難。
　　
　　振蕩法是指利用由電阻、電容或電感無(wú)源元器件構(gòu)成的振蕩電路，通過(guò)測(cè)量振蕩信號(hào)的頻率，再利用w=1/RC或w2=/LC關(guān)系式，根據(jù)已知其它無(wú)源元器件參數(shù)值計(jì)算出待測(cè)電容容量的方法。這種方法測(cè)量精度一般比較差，而且對(duì)振蕩電路所需的元件精度與穩(wěn)定性都要求都很高，因此它主要應(yīng)用在一些精度要求不高的產(chǎn)品或領(lǐng)域里。
　　
　　充電法是指利用恒流源對(duì)待測(cè)電容進(jìn)行充電，通過(guò)測(cè)量電容電壓達(dá)到參考電壓所需的時(shí)間，再利用i=c×dUc/dt關(guān)系式算出待測(cè)電容容量的方法，如圖2所示。由于電流i是恒流源，所以i=c×dUc/dt可以演變?yōu)閏=i×⊿t/⊿u關(guān)系式，這樣電容容量c與充電時(shí)間就有嚴(yán)格的線性比例關(guān)系。測(cè)量時(shí)只要將zui終的計(jì)數(shù)結(jié)果讀出來(lái)并進(jìn)行一定的換算就可知道待測(cè)電容的容量值。　　相比容抗與振蕩測(cè)量方法相比，這種方法具有如下一些特點(diǎn)：一、放電回路與充電回路可以分開(kāi)。如圖2所示，電容充滿電后，控制器的放電控制信號(hào)置高，N溝道場(chǎng)管導(dǎo)通，CX上的電荷即通過(guò)放電電阻R，場(chǎng)管的源漏極對(duì)地實(shí)現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開(kāi)的拓樸結(jié)構(gòu)對(duì)防高壓設(shè)計(jì)是非常有好處的。因?yàn)槲⒖刂破骰蛲獠坑布娐芬坏z測(cè)到待測(cè)電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測(cè)量，從而對(duì)由集成電路構(gòu)成的高精度測(cè)量充電電路元件實(shí)行保護(hù)。二、成本低，精度高。如圖2所示，充電測(cè)量電路主要由計(jì)數(shù)器，比較器和恒流源組成，放電測(cè)量電路由一個(gè)電阻和NMOS管構(gòu)成，這種電路結(jié)構(gòu)可使得除了放電電阻和NMOS管不易集成到常用的單芯片系統(tǒng)之外，其它部分都可以集成進(jìn)去，從而確保整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍元器件少。如果系統(tǒng)時(shí)鐘頻率加快，計(jì)數(shù)器的位數(shù)增加，將可以保證整個(gè)電容測(cè)量電路寬量程，高精度。三、這種電路主要適用于電容容量參數(shù)，其它方面的參數(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較困難的;同時(shí)如上所述，這種測(cè)量電路需要一個(gè)比較穩(wěn)定的恒流源，而且為了實(shí)現(xiàn)寬量程，高精度的電容測(cè)量功能，這個(gè)恒流源還要求具有可編程性，范圍寬，以實(shí)現(xiàn)在小電容時(shí)使用恒定的小電流信號(hào)測(cè)量來(lái)確保測(cè)量精度，而大電容使用恒定的大電流信號(hào)測(cè)量來(lái)確保測(cè)量速度的要求。
　　
　　根據(jù)上面所述的充電法電容參數(shù)測(cè)量特點(diǎn)，如果需要設(shè)計(jì)一款只測(cè)電容容量參數(shù)，而且能防高壓的電容測(cè)試系統(tǒng)，那么問(wèn)題的關(guān)鍵就集中到一點(diǎn)：具有一個(gè)大范圍，高，可編程的恒流源。事實(shí)上，我們?cè)谏厦娼榻BPSoC時(shí)已經(jīng)提到了，PSoC都具有可實(shí)現(xiàn)充電法測(cè)量電路所需的比較器，計(jì)數(shù)器之外的可編程模擬和數(shù)字模塊之外，還具有可編程恒流源（IDAC）硬件資源。因此，基于PSoC來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測(cè)試系統(tǒng)會(huì)是一件很容易做到的事情。
　　
　　基于PSoC的防高壓電容容量測(cè)量方案實(shí)現(xiàn)
　　
　　根據(jù)我們上面對(duì)基于PSoC的防高壓電容容量測(cè)量方案的可行性，實(shí)現(xiàn)拓樸以及PSoC內(nèi)部架構(gòu)的闡述，我們可以知道要實(shí)現(xiàn)這一方案需要做如下幾部分設(shè)計(jì)：防高壓測(cè)量外圍電路設(shè)計(jì)，PSoC模塊配置設(shè)計(jì)和測(cè)量軟件設(shè)計(jì)。下面我們將對(duì)其分別進(jìn)行介紹。
　　
　　防高壓電容測(cè)量外圍電路設(shè)計(jì)
　　
　　圖3是基于PSoC進(jìn)行電容測(cè)量的外圍電路，充電測(cè)量時(shí)，PSoC內(nèi)的IDAC（可編程恒流源）通過(guò)Captest引腳輸出恒定電流經(jīng)過(guò)R13,R12分別對(duì)待測(cè)電容CX和已知電容容量C8充電，Captest引腳上的電壓就會(huì)線性增高，一旦達(dá)到參考電壓Vref時(shí)，PSoC內(nèi)部的比較器就會(huì)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制信號(hào)給PSoC內(nèi)的微控制器，微控制器就會(huì)將計(jì)數(shù)結(jié)果取走進(jìn)行容值計(jì)算與顯示，從而容值測(cè)量;同時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)中斷信號(hào)也會(huì)觸發(fā)放電控制引腳Ctrl置高，將NMOS管導(dǎo)通，為CX,C8提供放電電路。在此還有一個(gè)PMOS管未提及的作用。這個(gè)PMOS管就是用來(lái)專門(mén)為了防高壓而設(shè)計(jì)的。當(dāng)帶高壓電荷（比VDD電源高的電壓電荷）的待測(cè)電容CX放到測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)試時(shí)，PMOS管的源極S電壓就變?yōu)榇郎y(cè)電容上的電壓值，由于PMOS管的柵極電壓近似為VDD,因此PMOS管就會(huì)瞬間導(dǎo)通，一直導(dǎo)通到CX上的電壓低于VDD，PMOS管才會(huì)關(guān)閉。所以PMOS管構(gòu)成了高壓硬件放電通路，從而確保PSoC不會(huì)受到高壓電荷長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。圖中電阻R12為330Ω，PMOS管的工作電流為1A，因此，采用該電路可耐1A×330Ω=330V的高壓電荷。330V的耐壓指標(biāo)對(duì)普通的電子工程師來(lái)講一般是足夠了，因?yàn)槌Ｓ玫碾娮与娖鳟a(chǎn)品的交流電為220V。當(dāng)然如果還需要耐更高的電壓信號(hào)，可以將R12電阻加大或選擇導(dǎo)通電流更大的PMOS管。　　PSoC模塊配置設(shè)計(jì)
　　
　　圖4是PSoC內(nèi)部模塊配置圖，如上所述，充電測(cè)量電路主要由恒流源，比較器和計(jì)數(shù)器組成。由于PSoC內(nèi)部集成了可編程恒流源硬件模塊，因此不需要配置，所以我們只需用PSoC內(nèi)部可編程模塊構(gòu)建比較器和計(jì)數(shù)器部分。事實(shí)上，在PSoC開(kāi)發(fā)軟件Designer里已構(gòu)建好了包括比較器和計(jì)數(shù)器等大量的用戶模塊。用戶只需在PSoCDesigner里選擇比較器和計(jì)數(shù)器，然后放置和參數(shù)配置，zui后點(diǎn)擊底層驅(qū)動(dòng)生成即可完成比較器和計(jì)數(shù)器的硬件構(gòu)造和生成供應(yīng)用程序調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)接口應(yīng)用函數(shù)。　　軟件設(shè)計(jì)
　　
　　整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的軟件如圖5所示，主要分為主程序和中斷處理子程序兩部分。
　　
　　主程序流程圖中斷處理流程圖　　結(jié)語(yǔ)
　　
　　該方案具有電路簡(jiǎn)單，外圍元器件少，成本低，耐高壓，寬量程，高精度，測(cè)量方便等特點(diǎn)，可方便地實(shí)現(xiàn)單片電容容量測(cè)試產(chǎn)品或子系統(tǒng)