一种高精度、低成本的电容的测量方法

2011-06-05 19:41:13来源: 互联网

  电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量,及能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点,并且已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。

  微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。电容式传感器输出的电容信号往往很小(1fF~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。

  本文提出一种恒流源充电法对两个微小电容进行充电检测的方法。本设计仅由单片机和少数芯片即可以实现电容的高精度,高频率测量。由于采用了差动式测量,本设计可以有效地减小非线性误差,提高传感器灵敏度,减少干扰,减少寄生电容的影响。若选用高性能模拟开关能大大减小电荷注入效应的影响。在检测0~5 pF的实验中,采样频率可以达到100 kHz,有效精度位最高可达12位。

  1 原理分析

  实现测量的电路原理如图1所示,其完整的测量过程是:单片机控制模拟开关K1,K2断路,标准电容Cl和待测电容C2由相同的两个恒流源I1和I2进行充电;在相同的时间T1内,电容C1、C2的充电电压为U1、U2。由电容基本公式可得:


 

实现测量的电路原理图
 

图1 实现测量的电路原理图

  令△U=U1-U2,则电压差△U经过放大后,通过MSP430单片机的AD转换模块进行转换,数据存储的同时,单片机控制K1、K2闭合,在T2时间内,使C1,C2两端的短路,两电容两端电压降到零,此时完成放电过程。

  至此,一次完整的采样过程结束,充放电时序见图2。

 充放电时序图

图2 充放电时序图

  在整个过程中,单片机要产生一个频率为100 kHz,占空比为90%的PWM波,用以控制K1、K2的通断,还要以(T1+T2)的周期完成AD变换和数据存储。其中,T1的最大值小于充电时间,T2的最小值大于放电时间。

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关键字:测量方法  电容式传感器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0605/article_2606.html
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