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采用集成RISC-SOC混合信号处理器实现微电容测量模

  始终是一个很重要的内容。目前大部分测量方法大部分集成化水平低,有的精度不高。测量结果;另外,振荡法测电容的抗干扰能力差。无线类终端本文提出的容抗匹配法是将待测电容接入容抗匹配电路,待测电容在高品质的交流激励下,呈现固定的容抗。通过容抗-电压转换电路,即可得与电容成比例的电压值。经采样后,可计算电容值。实验结果表明,该方法测电容可以保证测量精度,同时抗干扰能力强。

  该模块包含引线电容抑制电路、容抗电压变换电路、一片集成的RISC-SOC混合信号处理器以及485接口、LCD显示等。模块的工作原理如下:RISC-SOC混合信号处理器芯片按CPU指令,用DDS直接数字频率合成方式,通过12位D/AC产生稳定度优于1/1000,失线的稳定正弦波,作为测量的激励源。待测电容在该交流激励源作用下,呈现固定的容抗Z。

  由式(1)可见 1/Z的大小正比于电容值的大小。通过一个1/Z-电压变换电路即可得与电容值成正比的电压信号,据此可计算出电容值。正弦波表ROM内存有 64点的正弦波表,保持 DDS频率不变,将波表峰值提高 10倍,量程可缩小 10倍;改变正弦波表的点数为 640点,即可得到频率为 1OOHZ的正弦波,量程则扩大 10倍。因此无需硬件开关,可以通过纯软件的方法切换量程。485接口电路主要按照 Modbus-RTU协议进行数据的传输;LCD进行实时在线的显示工作。引线电容抑制电路用来消除引线本身电容对测量产生的影响,且屏蔽外部干扰。

  我们选择TI公司的MSP430F4270单片机作为混合信号处理器。MSP430F4270单片机集成了16位RISC处理器、12位DAC、16位ADC、32K代码存储器、液晶驱动器、液晶偏压发生器、看门狗等大量CPU外部资源。利用4270单片机的12位DAC,在中断中以查表DDS的方式产生1KHZ的正弦波作为测量电路的激励源。测量结果被4270单片机的16位ADC采样后换算成电容值。最终的测量结果显示在段码液晶上。由于内部集成液晶控制器和偏压发生电路,硬件上只需要将液晶和段码控制脚直连即可。转换结果也可通过485接口与外界通信。4270单片机没有串口,只能用软件模拟实现串口。4270的手册推荐用32K外部晶体,倍频得到CPU时钟。但考虑到内部倍频的锁频环(FLL)存在频率抖动,干扰正弦波,故倍频率应尽量低。本系统选4MHz外晶体,2倍频(FLL最低倍频值)得到8MHz系统时钟。

  电容测量电路如图4所示。DDS产生的正弦波是电压范围0-1.2V 的正弦波,即直流0.6V ,峰峰值1.2V的正弦波。首先被C1隔除直流分量,再被运放U3A放大10倍,变成正负对称,峰峰值12V的正弦波。DDS产生的正弦波还残留有高频分量,C2和R2构成低通滤波器,转折频率3KHz,保留激励正弦波,滤除残余高频分量。放大后的正弦电压加在被测电容Cx上,在此激励之下流过Cx的电流被U3B转换成电压值。U3B输出的是输幅度正比于Cx的大小的正弦电压,且与屏蔽引线用于进一步滤除残余高频。U3C和U3D构成精密检波电路,将U3B的输出交流电压转化成直流电压。运放的输出端不能直接和4270内部的Sigma-Delta型ADC直接连接。需要在采样前增加一RC滤波器。

  由于导线本身具有电容,会对电容测量带来干扰,所以要采取措施来降低或消除引线为引线在激励源与地之间,和Cx并联,由于激励源很低阻抗,a,c间的电流对a、b间电压几乎没有影响。因此C y1对测量不会造成影响。C y2在b点和地之间。b点用运放给出一个虚地,那么b、c 间无压差。且b、c间分布电容C y2的容量相对较小(几十pF),阻抗较高,所以b,c间电压几乎为0,无电流通过。由此可知,C y1, Cy2都不会对测量带来影响。图中虚线为屏蔽层,电缆的屏蔽层则完全屏蔽了外干扰电场对测量的影响。

  如图6所示,测量模块可以通过一支485-232转接器和PC机连接。在PC机上运行CapMonitor软件即可远程操控和察看,也可运行校准和设置。

  单片机的IO口是TTL电平,因此需要一片MAX485或同类485电平收发芯片,参考电路如图7:

  5 结束语:本文设计的电容测量模块集成化程度高,功耗低,电容测量误差在200PF以内时 ≤±1%,在200PF以上时 ≤±0.5%,量程可达0-20000PF。既可以做成便携式的电容测量仪,又可以作为一些测量系统中的组成部分。

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