采用PSoC的防高壓電容測量設計與實現(xiàn)-模擬電子
由于電容元件本身的儲能特性，因此它被廣泛地應用于整流，濾波，耦合，振蕩等電路中，幾乎成為現(xiàn)代整機產(chǎn)品中不可或缺的分立元器件。因此，無論是對電容生產(chǎn)廠商或整機設計維修工程師來講，通過電容測量儀準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計工程師。由于電容元件的本身儲能特性，使得人們在測量時總是會因為這樣或那樣的原因而忘記先放電再測量，導致電容測試儀被燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此自電容測量儀誕生以來的過去幾十年中，人們就一直在探索既保證電容測量精度的同時又能防高壓問題的最佳解決方案。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，耐高壓的電容測量解決方案。
PSoC 簡述
PSoC是Cypress半導體有限公司生產(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。
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圖1 PSoC的功能框圖
因此，PSoC除了能實現(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現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設計，Cypress基于可編程數(shù)字模擬模塊構建了大量的用戶模塊，如可編程運算放大器，比較器，6至14位的模數(shù)和數(shù)模轉換器，濾波器，8/16 /24/32位定時器/計數(shù)器，脈寬調制器，觸摸感應等模塊。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, 應用程序接口)函數(shù)都已設計好了。當用戶需要某個數(shù)字模擬外圍功能時，只需要簡單地調用相應的用戶模塊即可實現(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，介質損耗等，是當前電容測試儀產(chǎn)品應用最廣的一種方法。但是，它有一個缺點：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，因此它主要應用在一些精度要求不高的產(chǎn)品或領域里。
充電法是指利用恒流源對待測電容進行充電，通過測量電容電壓達到參考電壓所需的時間，再利用i=c×dUc/dt關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關系式，這樣電容容量c與充電時間就有嚴格的線性比例關系。測量時只要將最終的計數(shù)結果讀出來并進行一定的換算就可知道待測電容的容量值。
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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：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溝道場管導通，CX上的電荷即通過放電電阻R，場管的源漏極對地實現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開的拓樸結構對防高壓設計是非常有好處的。因為微控制器或外部硬件電路一旦檢測到待測電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開，實現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測量，從而對由集成電路構成的高精度測量充電電路元件實行保護。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管構成，這種電路結構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去，從而確保整個電路結構簡單，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。
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