基于PSoC的防高压电容测量设计与实现

　　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×St/Su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。

　　图2 充电法测量电路图

　　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，如果需要设计一款只测电容容量参数，而且能防高压的电容测试系统，那么问题的关键就集中到一点：具有一个大范围，高精准，可编程的恒流源。事实上，我们在上面介绍PSoC时已经提到了，PSoC都具有可实现充电法测量电路所需的比较器，计数器之外的可编程模拟和数字模块之外，还具有可编程恒流源(IDAC)硬件资源。因此，基于PSoC来实现一个耐高压，宽量程，高精度，低成本的电容容量测试系统会是一件很容易做到的事情。

　　基于PSoC的防高压电容容量测量方案实现

　　根据我们上面对基于PSoC的防高压电容容量测量方案的可行性，实现拓朴以及PSoC 内部架构的阐述，我们可以知道要实现这一方案需要做如下几部分设计：防高压测量外围电路设计，PSoC模块配置设计和测量软件设计。下面我们将对其分别进行介绍。