[发明专利]一种基于TDC的微小电容测量电路

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。