采用PSoC的防高壓電容測量設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　PSoC 簡述

　　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。

圖1 PSoC的功能框圖

　　因此，PSoC除了能實(shí)現(xiàn)一般MCU的功能外，還可通過可編程模擬和數(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。為了方便用戶簡單而快速地實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設(shè)計，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位定時器/計數(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(Application Program InteRFace, 應(yīng)用程序接口)函數(shù)都已設(shè)計好了。當(dāng)用戶需要某個數(shù)字模擬外圍功能時，只需要簡單地調(diào)用相應(yīng)的用戶模塊即可實(shí)現(xiàn)。

　　電容容量參數(shù)測量方法

　　從數(shù)字化與自動化測量角度來講，電容容量參數(shù)測量通常有三種方法：容抗法,振蕩法和充電法。

　　容抗法是指利用電容對交流信號源所表現(xiàn)出的阻抗特性，通過測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)已知信號源的角頻率w計算出待測電容容量的方法。這種方法能較好地反映出電容元件交流頻率特性，可用來測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)前電容測試儀產(chǎn)品應(yīng)用最廣的一種方法。但是，它有一個缺點(diǎn)：電容的充電和放電同處于一個回路之中，要做到既能保證測量精度又能防高壓設(shè)計比較困難。

　　振蕩法是指利用由電阻、電容或電感無源元器件構(gòu)成的振蕩電路，通過測量振蕩信號的頻率，再利用w=1/RC或w2=/LC關(guān)系式，根據(jù)已知其它無源元器件參數(shù)值計算出待測電容容量的方法。這種方法測量精度一般比較差，而且對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待測電容進(jìn)行充電，通過測量電容電壓達(dá)到參考電壓所需的時間，再利用i=c×dUc/dt關(guān)系式算出待測電容容量的方法，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與充電時間就有嚴(yán)格的線性比例關(guān)系。測量時只要將最終的計數(shù)結(jié)果讀出來并進(jìn)行一定的換算就可知道待測電容的容量值。

圖2 充電法測量電路圖

　　相比容抗與振蕩測量方法相比，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。如圖2所示，電容充滿電后，控制器的放電控制信號置高，N溝道場管導(dǎo)通，CX上的電荷即通過放電電阻R，場管的源漏極對地實(shí)現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開的拓樸結(jié)構(gòu)對防高壓設(shè)計是非常有好處的。因?yàn)槲⒖刂破骰蛲獠坑布娐芬坏z測到待測電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開，實(shí)現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測量，從而對由集成電路構(gòu)成的高精度測量充電電路元件實(shí)行保護(hù)。二、成本低，精度高。如圖2所示，充電測量電路主要由計數(shù)器，比較器和恒流源組成，放電測量電路由一個電阻和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，從而確保整個電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍元器件少。如果系統(tǒng)時鐘頻率加快，計數(shù)器的位數(shù)增加，將可以保證整個電容測量電路寬量程，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)測量實(shí)現(xiàn)起來是比較困難的;同時如上所述，這種測量電路需要一個比較穩(wěn)定的恒流源，而且為了實(shí)現(xiàn)寬量程，高精度的電容測量功能，這個恒流源還要求具有可編程性，范圍寬，以實(shí)現(xiàn)在小電容時使用恒定的小電流信號測量來確保測量精度，而大電容使用恒定的大電流信號測量來確保測量速度的要求。

　　根據(jù)上面所述的充電法電容參數(shù)測量特點(diǎn)，如果需要設(shè)計一款只測電容容量參數(shù)，而且能防高壓的電容測試系統(tǒng)，那么問題的關(guān)鍵就集中到一點(diǎn)：具有一個大范圍，高精準(zhǔn)，可編程的恒流源。事實(shí)上，我們在上面介紹PSoC時已經(jīng)提到了，PSoC都具有可實(shí)現(xiàn)充電法測量電路所需的比較器，計數(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來實(shí)現(xiàn)一個耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測試系統(tǒng)會是一件很容易做到的事情。

　　基于PSoC的防高壓電容容量測量方案實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)我們上面對基于PSoC的防高壓電容容量測量方案的可行性，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：防高壓測量外圍電路設(shè)計，PSoC模塊配置設(shè)計和測量軟件設(shè)計。下面我們將對其分別進(jìn)行介紹。

　　防高壓電容測量外圍電路設(shè)計

　　圖3是基于PSoC進(jìn)行電容測量的外圍電路，充電測量時，PSoC內(nèi)的IDAC(可編程恒流源)通過Cap test引腳輸出恒定電流經(jīng)過R13,R12分別對待測電容CX和已知電容容量C8充電，Cap test引腳上的電壓就會線性增高，一旦達(dá)到參考電壓Vref時，PSoC內(nèi)部的比較器就會翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制信號給PSoC內(nèi)的微控制器，微控制器就會將計數(shù)結(jié)果取走進(jìn)行容值計算與顯示，從而容值測量;同時比較器翻轉(zhuǎn)中斷信號也會觸發(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PMOS管未提及的作用。這個PMOS管就是用來專門為了防高壓而設(shè)計的。當(dāng)帶高壓電荷(比VDD電源高的電壓電荷)的待測電容CX放到測試夾具進(jìn)行測試時，PMOS管的源極S電壓就變?yōu)榇郎y電容上的電壓值，由于PMOS管的柵極電壓近似為VDD,因此PMOS管就會瞬間導(dǎo)通，一直導(dǎo)通到CX上的電壓 低于VDD，PMOS管才會關(guān)閉。所以PMOS管構(gòu)成了高壓硬件放電通路，從而確保PSoC不會受到高壓電荷長時間的沖擊。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)對普通的電子工程師來講一般是足夠了，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，可以將R12電阻加大或選擇導(dǎo)通電流更大的PMOS管。

圖3 電容測量外圍電路

　　PSoC模塊配置設(shè)計

　　圖4是PSoC內(nèi)部模塊配置圖，如上所述，充電測量電路主要由恒流源，比較器和計數(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)建比較器和計數(shù)器部分。事實(shí)上，在PSoC開發(fā)軟件Designer里已構(gòu)建好了包括比較器和計數(shù)器等大量的用戶模塊。用戶只需在PSoC Designer里選擇比較器和計數(shù)器，然后放置和參數(shù)配置，最后點(diǎn)擊底層驅(qū)動生成即可完成比較器和計數(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)動接口應(yīng)用函數(shù)。

圖4 PSoC內(nèi)部模塊配置圖

　　軟件設(shè)計

　　整個測量系統(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

圖5 電容測量軟件流程圖

　　該方案具有電路簡單，外圍元器件少，成本低，耐高壓，寬量程，高精度，測量方便等特點(diǎn)，可方便地實(shí)現(xiàn)單片電容容量測試產(chǎn)品或子系統(tǒng)。