摘 要 隨著微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展，微電容傳感器的電容信號更加薄弱，其檢測技術(shù)已經(jīng)成為了電容式傳感器發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。因此，微弱電容傳感信號讀取電路技術(shù)成為了人們關(guān)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(shù)設(shè)計問題進行論述。

【關(guān)鍵詞】微弱電容傳感信號 檢測方法 TDC 讀取電路技術(shù)設(shè)計

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、計算機技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)在各個領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。就電力系統(tǒng)來講，其應(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀纵敵龊驼{(diào)節(jié)的信號。而隨著眾多先進技術(shù)方式的應(yīng)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(shè)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(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

硬件系統(tǒng)總體的設(shè)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(yīng)用眾多的分系統(tǒng)，進行硬件網(wǎng)絡(luò)，最終使得系統(tǒng)硬件的功能實現(xiàn)。比如：PS021電容檢測模塊與待測電容、施密特觸發(fā)器、ADG721模擬開關(guān)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(shè)計

PS021微弱電容檢測電路設(shè)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(guān)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(guān)的問題。因此，PS021芯片只要充分的發(fā)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(xué)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(fā)揮，提高測量質(zhì)量和水平。

（4）主要應(yīng)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(tǒng)的質(zhì)量和水平，我們需要選擇應(yīng)用高質(zhì)量、合理化的器件。比如：有效的模擬開關(guān)、高質(zhì)量的施密特觸發(fā)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(shè)計

CPLD微控制器和接口電路主要的設(shè)計流程為：選擇應(yīng)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(fā)生存儲器、帶有LED的側(cè)背光等等。

2.2 軟件設(shè)計

基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術(shù)軟件設(shè)計流程為：進行數(shù)據(jù)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(diào)試、工程的更改管理。而對于軟件的主系統(tǒng)來講我們需要進行以下方面的軟件設(shè)計工作。通過有效的應(yīng)用Verilog HDL語言對于CPLD進行有效的編程，最終完成數(shù)據(jù)信息的測量和系統(tǒng)參數(shù)的控制。系統(tǒng)主控制流程為：上電復(fù)位--初始化--PS021開始測量--PS021測量完成--CPLD數(shù)據(jù)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(shè)計方式為：上電復(fù)位--初始化SPI總線--PS021寄存器的配置--初始化PS021--發(fā)送寫操作碼--PS021測量完成--發(fā)送讀操作指令--CPLD數(shù)據(jù)信息處理。LCD顯示顯示程序的設(shè)計方式為：開始--上電延時--顯示方式設(shè)計--延時--清屏--設(shè)定顯示地址--數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)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(shè)計。其主要應(yīng)用的模式為應(yīng)用異步串行通信，通過按位進行字節(jié)的接收和發(fā)送，有效的節(jié)約調(diào)試時間，簡化調(diào)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(zhì)量和水平。為了進一步提升設(shè)計系統(tǒng)實際應(yīng)用的能力，我們需要對于系統(tǒng)進行有效的調(diào)試工作，完善系統(tǒng)的功能。比如：對于系統(tǒng)信號波形進行有效分析，對于電容檢測數(shù)據(jù)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(shù)不斷在應(yīng)用中進步和發(fā)展，具有良好的應(yīng)用水平。

3 結(jié)論

對于微弱電容傳感信號讀取電路技術(shù)問題進行研究，有利于我們有效的應(yīng)用PS021電容檢測模塊和CPLD微控制器等設(shè)計出新型的微弱電容傳感信號讀取電路技術(shù)系統(tǒng)，全面提高檢測讀取的質(zhì)量和水平，充分發(fā)揮出系統(tǒng)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(yè)于沈陽理工大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)供職于遼寧航宇星物聯(lián)儀表科技有限公司。

作者單位

遼寧航宇星物聯(lián)儀表科技有限公司 遼寧省沈陽市 110045