一種基于微電容測量電路的模擬開關(guān)的電荷注入效應(yīng)設(shè)計(jì)淺析

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對工況參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測越來越重要。參數(shù)的監(jiān)測分為電量和非電量兩大類，對于非電量參數(shù)的測量，測量成功與否主要取決于傳感器的質(zhì)量和對信號的提取。由于電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、測量范圍大、穩(wěn)定性好、靈敏度高、使用壽命長及可以進(jìn)行非接觸測量等特點(diǎn)，非常適合在高潮濕、高塵埃、強(qiáng)輻射及超低溫等惡劣環(huán)境下長期使用，因此，對于某些變化緩慢或微小物理，比較適宜采用電容傳感器進(jìn)行測量。

目前用于測量微電容的方法主要是交流法，其測量原理是通過激勵信號對被測電容連續(xù)充放電，形成與被測電容成比例的電壓或電流信號，從而測得被測電容值。采用此方法測量的信號中具有脈動噪聲，需要通過濾波器濾除其脈動成分，但濾波器的引入將降低測量電路信號采集的速度。所以，本文設(shè)計(jì)了一種基于電荷放大原理的微電容測量電路，該電路中使用的模擬開關(guān)存在電荷注入效應(yīng)，此效應(yīng)影響電路的分辨率。為了解決該問題，本文從微電容測量電路中的電荷注入效應(yīng)入手，對模擬開關(guān)的電荷注入效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)合單片機(jī)對開關(guān)時序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于Proteus和Keil軟件設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，進(jìn)而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

1微電容測量電路中的電荷注入效應(yīng)

基于電荷放大原理的微電容測量電路如圖1所示。

圖中Vin為充放電的激勵電壓源，CX為傳感器兩極板之間的電容即待測電容；S1～S5為模擬開關(guān)；運(yùn)放A1、電容Cf、電阻Rf和開關(guān)S3構(gòu)成電荷放大器；開關(guān)S4和S5及運(yùn)放A2和A3構(gòu)成兩個采樣保持器，A4為儀表放大器。模擬開關(guān)基本上由一個NMOS管和一個PMOS管并聯(lián)而成，是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平?jīng)Q定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時，輸出端的狀態(tài)取決于輸入端的狀態(tài)；當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時，則不管輸入端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。

模擬開關(guān)的電荷注入效應(yīng)是影響該電路分辨率的主要因素。電荷注入效應(yīng)機(jī)理主要有兩方面：一是由溝道電荷造成的，如圖2（a）所示，根據(jù)MOS器件的原理，當(dāng)一個MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，SiO2-Si界面的反型層存儲一定電荷量，當(dāng)開關(guān)斷開時，電荷通過源端和漏端流出，流入測量電路；二是由柵源間和柵漏間的寄生電容存儲的電荷釋放流入測量電路造成的［3-4］， 如圖2（b）所示。由電荷注入效應(yīng)引起的誤差遠(yuǎn)大于被測量CX的值，引起電荷注入效應(yīng)。

2 開關(guān)的電荷注入效應(yīng)分析

電子開關(guān)控制時序設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

首先斷開S3，電路只受S3的電荷注入效應(yīng)影響。當(dāng)開關(guān)S3斷開時，由于電荷注入效應(yīng)，電荷將流向A1的輸出端和反相輸入端，流向A1輸出端的電荷產(chǎn)生的影響很小，僅引起輸出波形的瞬時微小失真，而流向A1反相輸入端的電荷對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，但A4采用差動式設(shè)計(jì)較好地解決了這部分的影響。

對開關(guān)S1與S2的電荷注入效應(yīng)。由圖3可知S2關(guān)斷時間晚于S3，S1關(guān)斷時間晚于S2。S2斷開時的電荷注入效應(yīng)引起V1點(diǎn)較小的波形失真，關(guān)閉S1，盡管有S2的電荷注入效應(yīng)，但V1被置為輸入電壓Vin，因此，被測電容Cx上的電壓不受S2的電荷注入效應(yīng)影響；S1斷開時的注入電荷，會沿著已閉合的開關(guān)S2流向地，S1不會對被測電容Cx產(chǎn)生影響。所以，S1和S2對輸出基本不產(chǎn)生影響。

對開關(guān)S4與S5的電荷注入效應(yīng)。S4與S5在斷開時，產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)會使A2和A3的輸出波形有微小失真，但相對于輸出值較小，可以忽略，而且A4采用差動式結(jié)構(gòu)輸入會使S4與S5的電荷注入效應(yīng)相互抵消，故S4與S5的電荷注入效應(yīng)不會對最終的輸出Vo產(chǎn)生影響。

由以上分析可知，通過合理設(shè)計(jì)模擬開關(guān)控制時序，解決了其關(guān)斷時引入的電荷注入效應(yīng)。

3 實(shí)現(xiàn)開關(guān)時序的相關(guān)軟件

3.1 Keil C51簡介

Keil是德國Keil公司開發(fā)的單片機(jī)編譯器。Keil C51是目前最流行的51單片機(jī)開發(fā)工具，現(xiàn)在Keil公司的編譯器有支持經(jīng)典80C51和80C51派生產(chǎn)品的版本。新版本μVision2把μVision1用的模擬調(diào)試器dScope與集成開發(fā)環(huán)境無縫地結(jié)合起來，界面更友好，使用更方便，支持的單片機(jī)品質(zhì)更多。對于使用C語言進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)的用戶，Keil C51已成為必備的開發(fā)工具。

Keil C51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，Keil C51提供了一個集成開發(fā)環(huán)境IDE（Intergrated Development Environment）？滋Vision，包括C51編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。在開發(fā)應(yīng)用軟件的過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各階段都集成在一個環(huán)境中，先用編輯器編寫程序，再調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯，連接后即可直接運(yùn)行［5，6］。

本軟件采用Keil C51進(jìn)行開發(fā)，程序可讀性強(qiáng)。

3.2 Proteus簡介

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N微處理器進(jìn)行實(shí)時仿真、調(diào)試與測試的EDA工具。Proteus除了具有和其他EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，最大的特點(diǎn)在于其電路仿真是互動的，針對微處理器的應(yīng)用還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，真正實(shí)現(xiàn)了沒有硬件目標(biāo)原形的情況下對系統(tǒng)的調(diào)試、測試、驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級的實(shí)時調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，建立了一個完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。Proteus產(chǎn)品系列可以對基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的外圍電子器件儀器仿真，用戶甚至可以實(shí)時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。

Proteus是一款電路分析與實(shí)物仿真軟件，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，具有實(shí)驗(yàn)資源豐富、實(shí)驗(yàn)周期短、硬件投入少、實(shí)驗(yàn)過程損耗小、與實(shí)際設(shè)計(jì)接近程度大等特點(diǎn)。

4 開關(guān)時序的設(shè)計(jì)與仿真

開關(guān)時序設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，圖中采用80C51芯片，其中管腳XTAL1、XTAL2接時鐘控制器，RST端上電，5個輸出管腳P1.0～P1.4分別控制開關(guān)S1、S2、S3、S4和S5，電源VCC為+5 V的直流電源。

4.1 程序設(shè)計(jì)

在Keil平臺進(jìn)行如圖5所示的程序編譯。

程序代碼如下：

#include《reg51.h》

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit s1=P1^0; //控制開關(guān)1

sbit s2=P1^1; //控制開關(guān)2

sbit s3=P1^2; //控制開關(guān)3

sbit s4=P1^3; //控制開關(guān)4

sbit s5=P1^4; //控制開關(guān)5

bit flag，flag1，flag2，flag3;

uchar ds，ds1，ds2，ds3;

uint jishi;

void Initialization（） //初始化函數(shù)

{

EA=1;

ET0=1;

TMOD=0X02; //定時器工作方式為2

TH0=0x06; //定時250 ？滋s

TL0=0x06;

TR0=1;

s1=0;

s2=1;

s3=1;

s4=1;

s5=1;

flag1=1;flag2=0;flag3=0;

}

void inte（） interrupt 1 using 3 //1s中斷處理函數(shù)

{

if（++jishi==40） //時間間隔4000×250 ？滋s=1 s

{

jishi=0;

if（flag1）{ds1++;}

if（flag2）{ds2++;}

if（flag3）{ds3++;}

}

}

void main （）

{

Initialization（）;

while（1）

{

if（flag1）

{

if（ds1==4）{s3=0;}

if（ds1==11）{s5=0;}

if（ds1==12）{s2=0;}

if（ds1==13）{s1=1;}

if（ds1==20）{s4=0;flag1=0;flag2=1;}

}

if（flag2）

{

if（ds2==1）{s3=1;}

if（ds2==2）{s5=1;}

if（ds2==9）{s2=1;}

if（ds2==10）{s1=0;}

if（ds2==17）{s4=1;flag2=0;flag3=1;ds2=0;}

}

if（flag3）

{

if（ds3==7）{s3=0;}

if（ds3==14）{s5=0;}

if（ds3==15）{s2=0;}

if（ds3==16）{s1=1;}

if（ds3==23）{s4=0;flag2=1;flag3=0;ds3=0;}

}

}

}

4.2 仿真

編寫好程序代碼后將該程序文件加載到當(dāng)前項(xiàng)目中進(jìn)行編譯，編譯通過后進(jìn)行仿真。單擊Debug菜單下的Go菜單項(xiàng)連續(xù)運(yùn)行程序，再切換至Proteus界面，可看到電路開始仿真運(yùn)行，結(jié)果如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

通過對仿真結(jié)果和LED實(shí)時動作情況的分析，驗(yàn)證了整個系統(tǒng)的程序與外圍電路設(shè)計(jì)的正確性，提高了調(diào)試效率。采用該仿真設(shè)計(jì)方法可以大大簡化硬件電路測試和系統(tǒng)調(diào)試過程，而且使用該方法進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開發(fā)成功后再進(jìn)行實(shí)際制作，可以提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，提升開發(fā)速度。