基于PSoC的防高壓電容測量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于psoc的防高壓電容測量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)因?yàn)樵旧淼膬?chǔ)能特性，因此它被廣泛地應(yīng)用于整流，濾波，耦合，振蕩等中，幾乎成為現(xiàn)代整機(jī)產(chǎn)品中不行或缺的分立元器件。因此，無論是對電容生產(chǎn)廠商或整機(jī)設(shè)計(jì)修理工程師來講，通過電容測量儀精確地了解電容元件的參數(shù)特性都十分有須要，尤其是和電路設(shè)計(jì)工程師。因?yàn)殡娙菰谋旧韮?chǔ)能特性，使得人們在測量時(shí)總是會(huì)由于這樣或那樣的緣由而遺忘先放電再測量，導(dǎo)致電容測試儀被燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此自電容測量儀出生以來的過去幾十年中，人們就向來在探究既保證電容測量精度的同時(shí)又能防高壓問題的最佳解決計(jì)劃。正是基于此，本文介紹了一種基于的8位p芯片為核心，具有高精度，寬量程，耐高壓的

2、電容測量解決計(jì)劃。簡述psoc是有限公司生產(chǎn)的的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加可編程恒流源(i)， i2c，flash, sram等周邊外圍模塊組成，1所示。圖1 psoc的功能框圖因此，psoc除了能實(shí)現(xiàn)普通的功能外，還可通過可編程模擬和數(shù)字模塊靈便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。為了便利用戶容易而迅速地實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設(shè)計(jì)，cypress基于可編程數(shù)字模擬模塊構(gòu)建了大量的用戶模塊，如可編程運(yùn)算，6至14位的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，8/16 /24/32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，脈寬調(diào)制器，觸摸感應(yīng)等模塊。這些用戶模塊將psoc內(nèi)部的寄存器配置，數(shù)字模塊

3、和模擬模塊之間的內(nèi)部連線，底層api(application program interface, 應(yīng)用程序接口)函數(shù)都已設(shè)計(jì)好了。當(dāng)用戶需要某個(gè)數(shù)字模擬外圍功能時(shí)，只需要容易地調(diào)用相應(yīng)的用戶模塊即可實(shí)現(xiàn)。電容容量參數(shù)測量辦法從數(shù)字化與測量角度來講，電容容量參數(shù)測量通常有三種辦法：容抗法,振蕩法和充電法。容抗法是指利用電容對溝通信號(hào)源所表現(xiàn)出的阻抗特性，通過測量電容在某一頻率下的容抗值，再利用z=1/wc(w為角頻率)關(guān)系式按照已知信號(hào)源的角頻率w計(jì)算出待測電容容量的辦法。這種辦法能較好地反映出電容元件溝通頻率特性，可用來測量電容元件的多方面參數(shù)特性，例如容量，介質(zhì)損耗等，是當(dāng)前電容測試儀產(chǎn)品

4、應(yīng)用最廣的一種辦法。但是，它有一個(gè)缺點(diǎn)：電容的充電和放電同處于一個(gè)回路之中，要做到既能保證測量精度又能防高壓設(shè)計(jì)比較困難。振蕩法是指利用由、電容或無源元器件構(gòu)成的振蕩電路，通過測量振蕩信號(hào)的頻率，再利用w=1/rc或w2=/lc關(guān)系式，按照已知其它無源元器件參數(shù)值計(jì)算出待測電容容量的辦法。這種辦法測量精度普通比較差，而且對振蕩電路所需的元件精度與穩(wěn)定性都要求都很高，因此它主要應(yīng)用在一些精度要求不高的產(chǎn)品或領(lǐng)域里。充電法是指利用恒流源對待測電容舉行充電，通過測量電容達(dá)到參考電壓所需的時(shí)光，再利用i=c×duc/dt關(guān)系式算出待測電容容量的辦法，2所示。因?yàn)閕是恒流源，所以i=c

5、5;duc/dt可以演化為c=i×t/u關(guān)系式，這樣電容容量c與充電時(shí)光就有嚴(yán)格的線性比例關(guān)系。測量時(shí)只要將終于的計(jì)數(shù)結(jié)果讀出來并舉行一定的換算就可知道待測電容的容量值。圖2 充電法測量相比容抗與振蕩測量辦法相比，這種辦法具有如下一些特點(diǎn)：一、放電回路與充電回路可以分開。2所示，電容彌漫電后，控制器的放電控制信號(hào)置高，n溝道場管導(dǎo)通，cx上的電荷即通過放電電阻r，場管的源漏極對地實(shí)現(xiàn)泄放。這種充放電回路分開的拓樸結(jié)構(gòu)對防高壓設(shè)計(jì)是十分有益處的。由于微控制器或外部硬件電路一旦檢測到待測電容上存在高壓電荷，放電回路就可以打開，實(shí)現(xiàn)電容的高壓電荷泄放之后再測量，從而對由構(gòu)成的高精度測量充電

6、電路元件采取庇護(hù)。二、成本低，精度高。2所示，充電測量電路主要由計(jì)數(shù)器，比較器和恒流源組成，放電測量電路由一個(gè)電阻和nmos管構(gòu)成，這種電路結(jié)構(gòu)可使得除了放電電阻和nmos管不易集成到常用的單芯片系統(tǒng)之外，其它部分都可以集成進(jìn)去，從而確保囫圇電路結(jié)構(gòu)容易，外圍元器件少。假如系統(tǒng)時(shí)鐘頻率加快，計(jì)數(shù)器的位數(shù)增強(qiáng)，將可以保證囫圇電容測量電路寬量程，高精度。三、這種電路主要適用于電容容量參數(shù)，其它方面的參數(shù)測量實(shí)現(xiàn)起來是比較困難的;同時(shí)如上所述，這種測量電路需要一個(gè)比較穩(wěn)定的恒流源，而且為了實(shí)現(xiàn)寬量程，高精度的電容測量功能，這個(gè)恒流源還要求具有可編程性，范圍寬，以實(shí)現(xiàn)在小電容時(shí)用法恒定的小電流信號(hào)測量

7、來確保測量精度，而大電容用法恒定的大電流信號(hào)測量來確保測量速度的要求。按照上面所述的充電法電容參數(shù)測量特點(diǎn)，假如需要設(shè)計(jì)一款只測電容容量參數(shù)，而且能防高壓的電容測試系統(tǒng)，那么問題的關(guān)鍵就集中到一點(diǎn)：具有一個(gè)大范圍，高精準(zhǔn)，可編程的恒流源。實(shí)際上，我們在上面介紹psoc時(shí)已經(jīng)提到了，psoc都具有可實(shí)現(xiàn)充電法測量電路所需的比較器，計(jì)數(shù)器之外的可編程模擬和數(shù)字模塊之外，還具有可編程恒流源(idac)硬件資源。因此，基于psoc來實(shí)現(xiàn)一個(gè)耐高壓，寬量程，高精度，低成本的電容容量測試系統(tǒng)會(huì)是一件很簡單做到的事情。基于psoc的防高壓電容容量測量計(jì)劃實(shí)現(xiàn)按照我們上面向基于psoc的防高壓電容容量測量計(jì)劃

8、的可行性，實(shí)現(xiàn)拓樸以及psoc 內(nèi)部架構(gòu)的闡述，我們可以知道要實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃需要做如下幾部分設(shè)計(jì)：防高壓測量外圍電路設(shè)計(jì)，psoc模塊配置設(shè)計(jì)和測量軟件設(shè)計(jì)。下面我們將對其分離舉行介紹。防高壓電容測量外圍電路設(shè)計(jì)圖3是基于psoc舉行電容測量的外圍電路，充電測量時(shí)，psoc內(nèi)的idac(可編程恒流源)通過cap test引腳輸出恒定電流經(jīng)過r13,r12分離對待測電容cx和已知電容容量c8充電，cap test引腳上的電壓就會(huì)線性增高，一旦達(dá)到參考電壓vref時(shí)，psoc內(nèi)部的比較器就會(huì)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生控制信號(hào)給psoc內(nèi)的微控制器，微控制器就會(huì)將計(jì)數(shù)結(jié)果取走舉行容值計(jì)算與顯示，從而容值測量;同時(shí)比較器

9、翻轉(zhuǎn)中斷信號(hào)也會(huì)觸發(fā)放電控制引腳ctrl置高，將nmos管導(dǎo)通，為cx,c8提供放電電路。在此還有一個(gè)pmos管未提及的作用。這個(gè)pmos管就是用來特地為了防高壓而設(shè)計(jì)的。當(dāng)帶高壓電荷(比vdd電源高的電壓電荷)的待測電容cx放到測試夾具舉行測試時(shí)，pmos管的源極s電壓就變?yōu)榇郎y電容上的電壓值，因?yàn)閜mos管的柵極電壓近似為vdd,因此pmos管就會(huì)眨眼導(dǎo)通，向來導(dǎo)通到cx上的電壓 低于vdd，pmos管才會(huì)關(guān)閉。所以pmos管構(gòu)成了高壓硬件放電通路，從而確保psoc不會(huì)受到高壓電荷長時(shí)光的沖擊。圖中電阻r12為330，pmos管的工作電流為1a，因此，采納該電路可耐1a×330=

10、330v的高壓電荷。330v的耐壓指標(biāo)對一般的工程師來講普通是足夠了，由于常用的電子電器產(chǎn)品的溝通電為220v。固然假如還需要耐更高的電壓信號(hào)，可以將r12電阻加大或挑選導(dǎo)通電流更大的pmos管。圖3 電容測量外圍電路psoc模塊配置設(shè)計(jì)圖4是psoc內(nèi)部模塊配置圖，如上所述，充電測量電路主要由恒流源，比較器和計(jì)數(shù)器組成。因?yàn)閜soc內(nèi)部集成了可編程恒流源硬件模塊，因此不需要配置，所以我們只需用psoc內(nèi)部可編程模塊構(gòu)建比較器和計(jì)數(shù)器部分。實(shí)際上，在psoc開發(fā)軟件designer里已構(gòu)建好了包括比較器和計(jì)數(shù)器等大量的用戶模塊。用戶只需在psoc designer里挑選比較器和計(jì)數(shù)器，然后放置和參數(shù)配置，最后點(diǎn)擊底層驅(qū)動(dòng)生成即可完成比較器和計(jì)數(shù)器的硬件構(gòu)造和生成供給用程序調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)接口應(yīng)