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)



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)

针对电容原理传感器中对微小电容的测量要求，利用Pcap Φ2芯片具有的高精度计时能力，设计了一个基于时间-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。

电容传感器；时间-数字转换；Pcap Φ2；寄生电容补偿

0 引言

在工业传感器设计中，有许多对微小电容的测量需求，比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[1]。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CAV444和AD7746之类的产品推出，简化了相关传感器的设计。国内学者对这些产品也进行了相关研究，总结了其优缺点[2]。比如AD7746外围电路简单，但精度还不够高，测量范围比较小，而CAV444有高测量范围，但是外围电路比较复杂[3]。……