微弱電容傳感信號讀取電路技術

摘 要 隨著微機電系統的快速發展，微電容傳感器的電容信號更加薄弱，其檢測技術已經成為了電容式傳感器發展和應用的瓶頸。因此，微弱電容傳感信號讀取電路技術成為了人們關注的焦點。本文主要就微弱電容傳感信號的檢測方法、基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術設計問題進行論述。

【關鍵詞】微弱電容傳感信號 檢測方法 TDC 讀取電路技術設計

隨著網絡信息技術、計算機技術、集成電路技術的發展，傳感技術在各個領域中獲得了廣泛的應用。就電力系統來講，其應用的傳感器類型眾多。比如：溫度傳感器、速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等等。其中，電容式傳感器是一種應用的類型。其主要的原理是對于非電量信號進行感知，并且對于電路信號進行有效調節，使其轉變為容易輸出和調節的信號。而隨著眾多先進技術方式的應用，微弱電容傳感信號被噪音信號等所淹沒。因此我們需要設計出新型的可以對電路進行有效讀取的電容式傳感器，具有來講就是對微弱電容傳感信號的檢測方法、基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術設計問題進行分析。

1 微弱電容傳感信號的檢測方法

微弱電容傳感信號的檢測方法主要有四種方式。

（1）直流充電式微弱電容傳感信號的檢測。這種方式檢測的意義在于可以有效使得雜散電容對測量精度的影響受到抑制，成本低、結構簡單。

（2）交流式微弱電容傳感信號的檢測。這種類型檢測主要是通過以下三個具體類型完成的，即AC電轎式微弱電容傳感信號的檢測、AC運放式微弱電容傳感信號的檢測、交流激勵式微弱電容傳感信號的檢測。

（3）電荷放大式微弱電容傳感信號的檢測。這種檢測方式主要是通過儀表放大、采樣保持部分、電荷放大部分來進行。

（4）基于電壓或者時間變換的微弱電容傳感信號的檢測。其主要的原理是對于測量電容進行充放電檢測。

2 基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術設計

2.1 硬件設計

2.1.1 硬件系統總體設計

硬件系統總體的設計思路是以PS021電容檢測模塊和CPLD微控制器、接口模塊為核心，有效的應用眾多的分系統，進行硬件網絡，最終使得系統硬件的功能實現。比如：PS021電容檢測模塊與待測電容、施密特觸發器、ADG721模擬開關進行有效的連接，而CPLD微控制器、接口模塊與計算機、LCD顯示、EPM1270微控制器模塊通過RS232接口、JTAG接口進行有效的連接。PS021電容檢測模塊與CPLD微控制器、接口模塊通過SPI總線進行連接，最終與電源管理模塊進行連接。

2.1.2 PS021微弱電容檢測電路的設計

PS021微弱電容檢測電路設計主要通過以下的步驟來完成。

（1）電容測量模式的選擇。在補償模式下，PS021芯片具有獨特的算法和專利電路，可以充分的對于模擬開關電路引入的漂移電容和寄生電容進行有效補償，提高了測量的精度，對于增益誤差和溫度漂移對測量的影響程度降低。在無補償模式下，由于不存在模擬開關的問題。因此，PS021芯片只要充分的發揮出作用，可以對四組電容進行同時測量。

（2）補償電容和參考電容的選擇。原因在于，補償電容和參考電容對于測量的溫度、精度等有非常大的影響，需要進行科學的選擇。

（3）測量刷新率的選擇。具體來講，我們需要對于測量的周期時間、放電電阻等進行有效的分析和研究，使得PS021芯片性能有效發揮，提高測量質量和水平。

（4）主要應用器件的選擇。為了有效提升基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路硬件系統的質量和水平，我們需要選擇應用高質量、合理化的器件。比如：有效的模擬開關、高質量的施密特觸發器、接口模塊與計算機、LCD顯示、EPM1270微控制器模塊、RS232接口、JTAG接口等等。

2.1.3 CPLD微控制器和接口電路的設計

CPLD微控制器和接口電路主要的設計流程為：選擇應用有效的兩行16字液晶顯示模塊、4.5到5.5V的工作電壓、靈活的接口方式、簡單的操作指令、字符發生存儲器、帶有LED的側背光等等。

2.2 軟件設計

基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術軟件設計流程為：進行數據信息的輸入、綜合分析、布局布線、時序分析、進行仿真、進行編程與配置。其中，布局布線需要進行有效的功耗的分析、調試、工程的更改管理。而對于軟件的主系統來講我們需要進行以下方面的軟件設計工作。通過有效的應用Verilog HDL語言對于CPLD進行有效的編程，最終完成數據信息的測量和系統參數的控制。系統主控制流程為：上電復位--初始化--PS021開始測量--PS021測量完成--CPLD數據信息處理--計算機和LCD顯示--啟動下一次測量。其中，PS021電容檢測程序的設計方式為：上電復位--初始化SPI總線--PS021寄存器的配置--初始化PS021--發送寫操作碼--PS021測量完成--發送讀操作指令--CPLD數據信息處理。LCD顯示顯示程序的設計方式為：開始--上電延時--顯示方式設計--延時--清屏--設定顯示地址--數據信息轉換與顯示--返回。同時，我們需要對于串口通訊程序進行有效的設計。其主要應用的模式為應用異步串行通信，通過按位進行字節的接收和發送，有效的節約調試時間，簡化調試的步驟，最終提高基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路的質量和水平。為了進一步提升設計系統實際應用的能力，我們需要對于系統進行有效的調試工作，完善系統的功能。比如：對于系統信號波形進行有效分析，對于電容檢測數據信息進行有效分析，最終使得基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術不斷在應用中進步和發展，具有良好的應用水平。

3 結論

對于微弱電容傳感信號讀取電路技術問題進行研究，有利于我們有效的應用PS021電容檢測模塊和CPLD微控制器等設計出新型的微弱電容傳感信號讀取電路技術系統，全面提高檢測讀取的質量和水平，充分發揮出系統的功能。

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作者簡介

王正仁（1992-），男，滿族，遼寧省營口市人。2015年畢業于沈陽理工大學自動化專業，現供職于遼寧航宇星物聯儀表科技有限公司。

作者單位

遼寧航宇星物聯儀表科技有限公司 遼寧省沈陽市 110045