基于PSoC的防高壓電容測(cè)量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　電容容量參數(shù)測(cè)量方法

　　從數(shù)字化與自動(dòng)化測(cè)量角度來(lái)講，電容容量參數(shù)測(cè)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(duì)交流信號(hào)源所表現(xiàn)出的阻抗特性，通過(guò)測(cè)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(hào)源的角頻率w計(jì)算出待測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)試儀產(chǎn)品應(yīng)用最廣的一種方法。但是，它有一個(gè)缺點(diǎn)：電容的充電和放電同處于一個(gè)回路之中，要做到既能保證測(cè)量精度又能防高壓設(shè)計(jì)比較困難。

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

　　圖2 充電法測(cè)量電路圖

　　相比容抗與振蕩測(cè)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(kāi)。如圖2所示，電容充滿電后，控制器的放電控制信號(hào)置高，N溝道場(chǎng)管導(dǎo)通，CX上的電荷即通過(guò)放電電阻R，場(chǎng)管的源漏極對(duì)地實(shí)現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開(kāi)的拓樸結(jié)構(gòu)對(duì)防高壓設(shè)計(jì)是非常有好處的。因?yàn)槲⒖刂破骰蛲獠坑布娐芬坏z測(cè)到待測(cè)電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測(cè)量，從而對(duì)由集成電路構(gòu)成的高精度測(cè)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(cè)量電路主要由計(jì)數(shù)器，比較器和恒流源組成，放電測(cè)量電路由一個(gè)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(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍元器件少。如果系統(tǒng)時(shí)鐘頻率加快，計(jì)數(shù)器的位數(shù)增加，將可以保證整個(gè)電容測(cè)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(cè)量實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較困難的;同時(shí)如上所述，這種測(cè)量電路需要一個(gè)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(cè)量功能，這個(gè)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(shí)使用恒定的小電流信號(hào)測(cè)量來(lái)確保測(cè)量精度，而大電容使用恒定的大電流信號(hào)測(cè)量來(lái)確保測(cè)量速度的要求。

　　根據(jù)上面所述的充電法電容參數(shù)測(cè)量特點(diǎn)，如果需要設(shè)計(jì)一款只測(cè)電容容量參數(shù)，而且能防高壓的電容測(cè)試系統(tǒng)，那么問(wèn)題的關(guān)鍵就集中到一點(diǎn)：具有一個(gè)大范圍，高精準(zhǔn)，可編程的恒流源。事實(shí)上，我們?cè)谏厦娼榻BPSoC時(shí)已經(jīng)提到了，PSoC都具有可實(shí)現(xiàn)充電法測(cè)量電路所需的比較器，計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測(cè)試系統(tǒng)會(huì)是一件很容易做到的事情。

　　基于PSoC的防高壓電容容量測(cè)量方案實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)我們上面對(duì)基于PSoC的防高壓電容容量測(cè)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(jì)：防高壓測(cè)量外圍電路設(shè)計(jì)，PSoC模塊配置設(shè)計(jì)和測(cè)量軟件設(shè)計(jì)。下面我們將對(duì)其分別進(jìn)行介紹。