基于基于PS021微小电容低功耗测量电路的设计微小电容低功耗测量电路的设计
本文拟采用德国ACAM公司的通用电容检测芯片PS021芯片进行微小电容测量电路的设计。该芯片把电容测量转
化为精确的时间测量，内部算法可以很好地抑制寄生电容对测量结果的影响，芯片集成的温度补偿模块还能保
证很好的稳定性，在10 Hz刷新频率时能够达到6 aF的有效精度，最高刷新频率可达50 kHz，高精度高刷新率可
缓和测量速度和分辨力的矛盾。
0 引言
电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，目前已在多个领域得到广泛应用。它具有结构简单、温度
稳定性好、分辨力高、动态响应好，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点。
由于电容式传感器输出的电容信号很小(1 fF～10 pF)，同时存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这就需
要
目前，国内外在测量10 pF以下的电容都存在很大的困难，测量电路多是采用电荷转移法或交流法，即将电容量转换为电
压或电流，电路往往受到电子开关的电荷注入效应的影响，并且其提高测量速度和提高分辨力的矛盾难以解决。
本文拟采用德国ACAM公司的通用电容检测芯片PS021芯片进行微小电容测量电路的设计。该芯片把电容测量转化为精确
的时间测量，内部算法可以很好地抑制寄生电容对测量结果的影响，芯片集成的温度补偿模块还能保证很好的稳定性，在10
Hz刷新频率时能够达到6 aF的有效精度，最高刷新频率可达50 kHz，高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨力的矛盾。
1 微小电容测量模块
总体设计原理框图如图1所示，主要有承压壳体、电源管理电路、PS021芯片、单片机几部分组成。
PS021芯片将承压壳体变化产生的电容信号转换成相应的16位数字量；MSP430单片机通过SPI接口对PS021进行控制，
并将数据存入MSP430的闪存；数据采集完毕之后通过红外模块传到计算机中，使用VisualBasie6．O软面板显示测量结果曲
线；电源管理部可对MSP430和PS021进行分时可控供电。
1．1 PS021主要特性
PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter时间数字转换器)技术而产生，使之成为一种完全集成的超传感器、加速
度传感器、间隙测量的高端芯片。
1．2 测量原理
感应电容和参考电容与电阻相连接形成了一个低通滤波器。PS021控制模拟开关轮流通断，二者导通时间相等，两个电容
依次轮流在导通时间内
参考电容充放电测得τ1=RCref，传感器电容充放电测得τ2=RCsensor，根据芯片内部算法计算出τ2／τ1=Csensor／
Cref，其中Cref为已知电容，最后得到16位的效据，从而实现了对传感器电容的测量。PS021控制模拟开关使得充放电重复在
两个电容进行，然后计算出电容测量值的比值。如图2所示，该曲线图是由两个电容之一的充放电曲线在时间轴上平移导通时
间而得，图中ns级的间隔对应两个电容的差值。当传感器处于初始状态时，参考端电容基本等于传感器的初始电容，两者充
放电曲线通过平移基本上能够重合；当被测电容变化时，图中ns级的间隔△t对应两个电容的差值△C，或者电容的变化△C引
起放电时间的延迟△t。
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