微弱电容传感信号读取电路技术

摘 要 随着微机电系统的快速发展，微电容传感器的电容信号更加薄弱，其检测技术已经成为了电容式传感器发展和应用的瓶颈。因此，微弱电容传感信号读取电路技术成为了人们关注的焦点。本文主要就微弱电容传感信号的检测方法、基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术设计问题进行论述。

【关键词】微弱电容传感信号 检测方法 TDC 读取电路技术设计

随着网络信息技术、计算机技术、集成电路技术的发展，传感技术在各个领域中获得了广泛的应用。就电力系统来讲，其应用的传感器类型众多。比如：温度传感器、速度传感器、流量传感器、位移传感器、压力传感器等等。其中，电容式传感器是一种应用的类型。其主要的原理是对于非电量信号进行感知，并且对于电路信号进行有效调节，使其转变为容易输出和调节的信号。而随着众多先进技术方式的应用，微弱电容传感信号被噪音信号等所淹没。因此我们需要设计出新型的可以对电路进行有效读取的电容式传感器，具有来讲就是对微弱电容传感信号的检测方法、基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术设计问题进行分析。

1 微弱电容传感信号的检测方法

微弱电容传感信号的检测方法主要有四种方式。

（1）直流充电式微弱电容传感信号的检测。这种方式检测的意义在于可以有效使得杂散电容对测量精度的影响受到抑制，成本低、结构简单。

（2）交流式微弱电容传感信号的检测。这种类型检测主要是通过以下三个具体类型完成的，即AC电轿式微弱电容传感信号的检测、AC运放式微弱电容传感信号的检测、交流激励式微弱电容传感信号的检测。

（3）电荷放大式微弱电容传感信号的检测。这种检测方式主要是通过仪表放大、采样保持部分、电荷放大部分来进行。

（4）基于电压或者时间变换的微弱电容传感信号的检测。其主要的原理是对于测量电容进行充放电检测。

2 基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术设计

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件系统总体设计

硬件系统总体的设计思路是以PS021电容检测模块和CPLD微控制器、接口模块为核心，有效的应用众多的分系统，进行硬件网络，最终使得系统硬件的功能实现。比如：PS021电容检测模块与待测电容、施密特触发器、ADG721模拟开关进行有效的连接，而CPLD微控制器、接口模块与计算机、LCD显示、EPM1270微控制器模块通过RS232接口、JTAG接口进行有效的连接。PS021电容检测模块与CPLD微控制器、接口模块通过SPI总线进行连接，最终与电源管理模块进行连接。

2.1.2 PS021微弱电容检测电路的设计

PS021微弱电容检测电路设计主要通过以下的步骤来完成。

（1）电容测量模式的选择。在补偿模式下，PS021芯片具有独特的算法和专利电路，可以充分的对于模拟开关电路引入的漂移电容和寄生电容进行有效补偿，提高了测量的精度，对于增益误差和温度漂移对测量的影响程度降低。在无补偿模式下，由于不存在模拟开关的问题。因此，PS021芯片只要充分的发挥出作用，可以对四组电容进行同时测量。

（2）补偿电容和参考电容的选择。原因在于，补偿电容和参考电容对于测量的温度、精度等有非常大的影响，需要进行科学的选择。

（3）测量刷新率的选择。具体来讲，我们需要对于测量的周期时间、放电电阻等进行有效的分析和研究，使得PS021芯片性能有效发挥，提高测量质量和水平。

（4）主要应用器件的选择。为了有效提升基于TDC微弱电容传感信号读取电路硬件系统的质量和水平，我们需要选择应用高质量、合理化的器件。比如：有效的模拟开关、高质量的施密特触发器、接口模块与计算机、LCD显示、EPM1270微控制器模块、RS232接口、JTAG接口等等。

2.1.3 CPLD微控制器和接口电路的设计

CPLD微控制器和接口电路主要的设计流程为：选择应用有效的两行16字液晶显示模块、4.5到5.5V的工作电压、灵活的接口方式、简单的操作指令、字符发生存储器、带有LED的侧背光等等。

2.2 软件设计

基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术软件设计流程为：进行数据信息的输入、综合分析、布局布线、时序分析、进行仿真、进行编程与配置。其中，布局布线需要进行有效的功耗的分析、调试、工程的更改管理。而对于软件的主系统来讲我们需要进行以下方面的软件设计工作。通过有效的应用Verilog HDL语言对于CPLD进行有效的编程，最终完成数据信息的测量和系统参数的控制。系统主控制流程为：上电复位--初始化--PS021开始测量--PS021测量完成--CPLD数据信息处理--计算机和LCD显示--启动下一次测量。其中，PS021电容检测程序的设计方式为：上电复位--初始化SPI总线--PS021寄存器的配置--初始化PS021--发送写操作码--PS021测量完成--发送读操作指令--CPLD数据信息处理。LCD显示显示程序的设计方式为：开始--上电延时--显示方式设计--延时--清屏--设定显示地址--数据信息转换与显示--返回。同时，我们需要对于串口通讯程序进行有效的设计。其主要应用的模式为应用异步串行通信，通过按位进行字节的接收和发送，有效的节约调试时间，简化调试的步骤，最终提高基于TDC微弱电容传感信号读取电路的质量和水平。为了进一步提升设计系统实际应用的能力，我们需要对于系统进行有效的调试工作，完善系统的功能。比如：对于系统信号波形进行有效分析，对于电容检测数据信息进行有效分析，最终使得基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术不断在应用中进步和发展，具有良好的应用水平。

3 结论

对于微弱电容传感信号读取电路技术问题进行研究，有利于我们有效的應用PS021电容检测模块和CPLD微控制器等设计出新型的微弱电容传感信号读取电路技术系统，全面提高检测读取的质量和水平，充分发挥出系统的功能。

参考文献

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作者简介

王正仁（1992-），男，满族，辽宁省营口市人。2015年毕业于沈阳理工大学自动化专业，现供职于辽宁航宇星物联仪表科技有限公司。

作者单位

辽宁航宇星物联仪表科技有限公司 辽宁省沈阳市 110045