一種高精度測量微小電容的電路

摘要：提出了一種高精度、低成本的電容的測量方法。該方法采用差動(dòng)式直流充電法測量微小電容，具有功耗低、體積小、分辨率高、刷新率高的特點(diǎn)。同時(shí)詳細(xì)闡述了測量電路的基本原理、具體實(shí)現(xiàn)，并且通過測量固定電容驗(yàn)證了電路的性能。
關(guān)鍵詞：電容傳感器；差動(dòng)式測量；直流充電

0 引言
電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可非接觸測量，及能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，并且已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
微小電容測量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。電容式傳感器輸出的電容信號往往很小(1fF～10 pF)，又存在傳感器及其連接導(dǎo)線雜散電容和寄生電容的影響，這對電容信號的測量電路提出了非常高的要求，如此微小的電容信號的測量成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
本文提出一種恒流源充電法對兩個(gè)微小電容進(jìn)行充電檢測的方法。本設(shè)計(jì)僅由單片機(jī)和少數(shù)芯片即可以實(shí)現(xiàn)電容的高精度，高頻率測量。由于采用了差動(dòng)式測量，本設(shè)計(jì)可以有效地減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減少干擾，減少寄生電容的影響。若選用高性能模擬開關(guān)能大大減小電荷注入效應(yīng)的影響。在檢測0～5 pF的實(shí)驗(yàn)中，采樣頻率可以達(dá)到100 kHz，有效精度位最高可達(dá)12位。

1 原理分析
實(shí)現(xiàn)測量的電路原理如圖1所示，其完整的測量過程是：單片機(jī)控制模擬開關(guān)K1，K2斷路，標(biāo)準(zhǔn)電容Cl和待測電容C2由相同的兩個(gè)恒流源I1和I2進(jìn)行充電；在相同的時(shí)間T1內(nèi)，電容C1、C2的充電電壓為U1、U2。由電容基本公式可得：

令△U=U1-U2，則電壓差△U經(jīng)過放大后，通過MSP430單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲的同時(shí)，單片機(jī)控制K1、K2閉合，在T2時(shí)間內(nèi)，使C1，C2兩端的短路，兩電容兩端電壓降到零，此時(shí)完成放電過程。
至此，一次完整的采樣過程結(jié)束，充放電時(shí)序見圖2。

在整個(gè)過程中，單片機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)頻率為100 kHz，占空比為90％的PWM波，用以控制K1、K2的通斷，還要以(T1+T2)的周期完成AD變換和數(shù)據(jù)存儲。其中，T1的最大值小于充電時(shí)間，T2的最小值大于放電時(shí)間。