基于PSoC的防高压电容测量设计与实现

引言

　　由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。由于电容元件的本身储能特性，使得人们在测量时总是会因为这样或那样的原因而忘记先放电再测量，导致电容测试仪被烧毁的现象时有发生。因此自电容测量仪诞生以来的过去几十年中，人们就一直在探索既保证电容测量精度的同时又能防高压问题的最佳解决方案。正是基于此，本文介绍了一种基于赛普拉斯的8位PSoC芯片为核心，具有高精度，宽量程，耐高压的电容测量解决方案。

　　PSoC简述

　　PSoC是Cypress半导体有限公司生产的的可编程片上系统芯片。它主要由8位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加可编程恒流源(IDAC)，I2C，Flash,SRAM等周边外围模块组成。

　　因此，PSoC除了能实现一般MCU的功能外，还可通过可编程模拟和数字模块灵活地实现嵌入式系统所需的模拟与数字外围功能。为了方便用户简单而快速地实现模拟数字外围功能的设计，Cypress基于可编程数字模拟模块构建了大量的用户模块，如可编程运算放大器，比较器，6至14位的模数和数模转换器，滤波器，8/16/24/32位定时器/计数器，脉宽调制器，触摸感应等模块。这些用户模块将PSoC内部的寄存器配置，数字模块和模拟模块之间的内部连线，底层API(ApplicationProgramInteRFace,应用程序接口)函数都已设计好了。当用户需要某个数字模拟外围功能时，只需要简单地调用相应的用户模块即可实现。

　　电容容量参数测量方法

　　从数字化与自动化测量角度来讲，电容容量参数测量通常有三种方法：容抗法,振荡法和充电法。

　　容抗法是指利用电容对交流信号源所表现出的阻抗特性，通过测量电容在某一频率下的容抗值，再利用z=1/wc(w为角频率)关系式根据已知信号源的角频率w计算出待测电容容量的方法。这种方法能较好地反映出电容元件交流频率特性，可用来测量电容元件的多方面参数特性，例如容量，介质损耗等，是当前电容测试仪产品应用最广的一种方法。但是，它有一个缺点：电容的充电和放电同处于一个回路之中，要做到既能保证测量精度又能防高压设计比较困难。

　　振荡法是指利用由电阻、电容或电感无源元器件构成的振荡电路，通过测量振荡信号的频率，再利用w=1/RC或w2=/LC关系式，根据已知其它无源元器件参数值计算出待测电容容量的方法。这种方法测量精度一般比较差，而且对振荡电路所需的元件精度与稳定性都要求都很高，因此它主要应用在一些精度要求不高的产品或领域里。

　　充电法是指利用恒流源对待测电容进行充电，通过测量电容电压达到参考电压所需的时间，再利用i=c×dUc/dt关系式算出待测电容容量的方法，如图2所示。由于电流i是恒流源，所以i=c×dUc/dt可以演变为c=i×⊿t/⊿u关系式，这样电容容量c与充电时间就有严格的线性比例关系。测量时只要将最终的计数结果读出来并进行一定的换算就可知道待测电容的容量值。

　　相比容抗与振荡测量方法相比，这种方法具有如下一些特点：一、放电回路与充电回路可以分开。如图2所示，电容充满电后，控制器的放电控制信号置高，N沟道场管导通，CX上的电荷即通过放电电阻R，场管的源漏极对地实现泄放。这种充放电回路分开的拓朴结构对防高压设计是非常有好处的。因为微控制器或外部硬件电路一旦检测到待测电容上存在高压电荷，放电回路就可以打开，实现电容的高压电荷泄放之后再测量，从而对由集成电路构成的高精度测量充电电路元件实行保护。二、成本低，精度高。如图2所示，充电测量电路主要由计数器，比较器和恒流源组成，放电测量电路由一个电阻和NMOS管构成，这种电路结构可使得除了放电电阻和NMOS管不易集成到常用的单芯片系统之外，其它部分都可以集成进去，从而确保整个电路结构简单，外围元器件少。如果系统时钟频率加快，计数器的位数增加，将可以保证整个电容测量电路宽量程，高精度。三、这种电路主要适用于电容容量参数，其它方面的参数测量实现起来是比较困难的;同时如上所述，这种测量电路需要一个比较稳定的恒流源，而且为了实现宽量程，高精度的电容测量功能，这个恒流源还要求具有可编程性，范围宽，以实现在小电容时使用恒定的小电流信号测量来确保测量精度，而大电容使用恒定的大电流信号测量来确保测量速度的要求。

根据上面所述的充电法电容参数测量特点，如果需要