基于TDC的一种微小电容高精度测量系统设计.pdf

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1、2015正仪表技术与传感器2015第11期InstrumentTechniqueandSensorNo．11基于TDC的一种微小电容高精度测量系统设计夏凌云(中国石油大学(华东)网络及教育技术中心，山东青岛266580)摘要：针对电容原理传感器中对微小电容的测量要求，利用Pcapep2芯片具有的高精度计时能力，设计了一个基于时间一数字转换的微小电容高精度测量系统。详细阐述了整个测量系统的实现原理和软硬件设计方法，给出了内部和外部寄生电容的补偿方法，并提出了一个适用于大多电容传感器设计的一个外围电路较为简单的高集成度单芯片解决方案。关键词：电容传感器；时间一数

2、字转换；PcapO2；寄生电容补偿中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1002—1841(2015)11-0101—04DesignofHighPrecisionCapacitanceMeasuringSystemBasedonTDCXIALing—yun(NetworkandEducationTechnologyCenterinChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，China)Abstract：Forweaksignalcapacitancemeasurementofthecapa

3、citancesensors，anewsmallcapacitanceandhighprecisionmeasurementsystembasedonTime—DigitalConversionprincipleusingthehighprecisiontimemeasurementabilityofPcapep2wasdesigned．Andtheprincipleanddesignmethodofthesoftwareandhardwaretoachievethepurposeofthemeasurementsystemwasdescribedindet

4、ail，andthecompensationmethodoftheinternalandexternalparasiticcapacitancewaspresented．Andasimplechipsolutionwithhighintegrationlevelwasputforwardwhichissuitableformostofthecapacitancesensorresearchanddevelop·ment．Keywords：capacitancesensor；time—digitalconversion；Pcap西2：compensationo

5、fparasiticcapacitance0引言放电，记录下电平从下降到阈值电平的时间，如图1所在工业传感器设计中，有许多对微小电容的测量需求，比示。如电容式物位传感器、液位传感器、压力传感器、湿度传感器和MEMS传感器等。以往在这些高精度传感器设计中，微小电容的测量一般常用恒流源充电法和交流锁相放大法来进行测量J。恒流源充电法电路简单，成本较低，但是精度较低，而交流锁相放大法理论精度虽然很高，但是电路设计复杂，并由于对信号源精度的要求较高，成本也高，频率和测量范围扩展性受限。在当前的微电子系统设计技术下，有将上述外围电路和测量器件集成化的趋势，比如前期已有

6、CAV444和AD7746之图1TDC测量放电时间类的产品推出，简化了相关传感器的设计。国内学者对这些产根据RC电路充放电公式，RC电路时间常数r=R·C，因品也进行了相关研究，总结了其优缺点J。比如AD7746外围此在同一个放电电阻下，RC电路的放电时间与电容值C成正电路简单，但精度还不够高，测量范围比较小，而CAV444有高比。这样一来，通过分别测量待测电容和基准电容从到测量范围，但是外围电路比较复杂J。经过对多种方案的对比的放电时间，就能得到待测电容与参考电容的容值比。由于是和考察，发现Pcapep2芯片具有超高精度的时间一数字转换利用参考电容和待测电

7、容的容值比例来测量和表示待测电容(TDC，TimetoDigitalConvert)能力，同时还集成了高速DSP和值，因此只要在合理设计测量电路的基础上，适当选择参考电其他测量组件，为微小电容的测量提供了一个较为简单和低成容和放电电阻阻值，再配合高精度的时间测量，理论上能够做本的单芯片解决方案。到大测量范围和高测量精度的电容值检测。1TDC测量电容原理2TDC测量模块设计利用高精度的时间一数字转换器测量电路原理比较简单，2．1Pcap介绍将待测电容和一个温度稳定性好的基准电容通过多路开关串利用TDC原理测量电容的关键点在于对RC电路的放电联到一个放电电阻，形

8、成一个RC充放电电路。通过对该RC时间高精度计时，而