CN217181066U - 一种微电容检测电路及系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种微电容检测电路及系统，检测频率可达3KHz，可实现高速数据采集，即1s内可采集3000组电容变化值；并且在该检测频率下的分辨率可达0.02pF，具有较高的检测精度；且该检测电路电路简单、体积小、集成度高。本申请包括：微电容检测芯片、单片机以及外围电路模块；所述微电容检测芯片、所述单片机以及所述外围电路模块互相连接；所述微电容检测芯片用于获取待测电容信号，并根据所述待测电容信号得到检测电容变化数据；所述微电容检测芯片和所述外围电路模块用于将所述检测电容变化数据发送至所述单片机；所述单片机用于控制所述微电容检测芯片的工作状态以及处理接收到的所述检测电容变化数据。

Description

一种微电容检测电路及系统

技术领域

本申请实施例涉及检测技术领域，特别涉及一种微电容检测电路及系统。

背景技术

在工程领域中，存在着各种各样的传感器，其中电容式传感器在该领域运用非常广泛，它可以对压力、位移、加速度等进行测量，将其被测物理量变化转换为电容变化量。电容式传感器适用于多种检测系统中，实时检测电容变化量，其中，电容检测电路的设计至关重要。

然而随着科技的发展，在精密工程领域应用中，电容检测电路往往输出的电容信号值很小(通常为pF，甚至fF级)，比如，美国ADI公司设计的采用高精度AD7747电容数字转换器作为微弱电容信号的检测芯片，C8051F411单片机作为主控模块的微电容检测电路，该微电容检测电路的电容检测芯片检测频率较低，最高只能达到45Hz的检测频率，且单片机的通信速率较低，实时处理采集信号的数据量有限，无法满足在短时间内进行高速数据采集。

对于微小电容的检测，现有的检测电路方式存在电路设计复杂、检测频率和精度较低等缺点。

实用新型内容

本申请提供了一种微电容检测电路及系统，检测频率可达3KHz，可实现高速数据采集，即1s内可采集3000组电容变化值；并且在该检测频率下的分辨率可达0.02pF，具有较高的检测精度；且该检测电路电路简单、体积小、集成度高。

本申请实施例第一方面提供了一种微电容检测电路，包括：

微电容检测芯片、单片机以及外围电路模块；

所述微电容检测芯片、所述单片机以及所述外围电路模块互相连接；

所述微电容检测芯片用于获取待测电容信号，并根据所述待测电容信号得到检测电容变化数据；

所述微电容检测芯片和所述外围电路模块用于将所述检测电容变化数据发送至所述单片机；

所述单片机用于控制所述微电容检测芯片的工作状态以及处理接收到的所述检测电容变化数据。

可选的，所述微电容检测芯片设置有CDC模块，所述CDC模块用于将所述待测电容信号转化为待测电容数字信号。

可选的，所述微电容检测芯片还设置有SPI串行接口，所述微电容检测芯片通过所述SPI串行接口与所述单片机建立连接。

可选的，所述微电容检测芯片还设置有多个端口，所述多个端口用于连接电容传感器，以获取待测电容信号。

可选的，所述微电容检测芯片还通过所述多个端口获取参考电容信号，所述微电容检测芯片根据所述待测电容信号和所述参考电容信号得到所述检测电容变化数据。

可选的，所述单片机通过USB转TTL的通信方式将所述检测电容变化数据发送至上位机。

可选的，所述外围电路模块设置有去耦电容以及电阻，所述去耦电容以及所述电阻用于增强电路稳定性。

本申请实施例第二方面提供了一种微电容检测系统，包括：

微电容检测电路以及上位机；所述微电容检测电路与所述上位机通讯连接，所述微电容检测电路用于采集待测电容信号并通过内部转换输出相应的检测电容变化数据发送至所述上位机；所述上位机用于将所述微电容检测电路传输过来的检测电容变化数据实时转换为电容值进行显示并保存为自定义文件路径下的Excel文件；所述微电容检测电路为前述第一方面所述的微电容检测电路。

以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，针对于较短时间内电容量变化较快的测量场景，设计了一种微电容检测电路，由微电容检测芯片、单片机以及外围电路模块组成，通过微电容检测芯片以及外围电路模块获取待测电容信号，并根据该待测电容信号得到检测电容变化数据，将检测电容变化数据发送至单片机，以使得单片机对该检测电容变化数据进行处理，并将处理后的检测电容变化数据发送至上位机。该检测电路采用的微电容检测芯片测量精度、采集频率高；单片机的工作频率最高能达到100MHz，其通信速率高。因此通过该微电容检测芯片和该单片机组成的检测电路可以实现高速数据采集，其检测频率可达3KHz，并且在该检测频率下的分辨率可达0.02pF，具有较高的检测精度；且该检测电路电路简单、体积小、集成度高。

附图说明

图1为本申请实施例中微电容检测电路的电路图；

图2为本申请实施例中微电容检测系统的电路图。

具体实施方式

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本申请可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种微电容检测电路及系统，检测频率可达3KHz，可实现高速数据采集，即1s内可采集3000组电容变化值；并且在该检测频率下的分辨率可达0.02pF，具有较高的检测精度；且该检测电路电路简单、体积小、集成度高。

请参阅图1至图2，本申请实施例提供了一种微电容检测电路，包括：

微电容检测芯片11、单片机12以及外围电路模块13；

微电容检测芯片11、单片机12以及外围电路模块13互相连接；

微电容检测芯片11用于获取待测电容信号，并根据所述待测电容信号得到检测电容变化数据；

微电容检测芯片11和外围电路模块12用于将所述检测电容变化数据发送至单片机13；

单片机13用于控制微电容检测芯片11的工作状态以及处理接收到的所述检测电容变化数据。

需要说明的是，本申请实施例中，微电容检测芯片11、单片机12与外围电路模块13互相建立连接，外围电路模块13与微电容检测芯片11一起负责检测电容信号的变化值并发送给单片机12，同时该外围电路模块13还与单片机12一起负责控制微电容检测芯片11的工作状态以及接收微电容检测芯片 11实时采集到的电容值，并将该采集值打包发送给上位机2。

本申请实施例中，选用的微电容检测芯片11和单片机12的尺寸都较小，其中，电容数字转换单芯片是专门测量微小电容的芯片，该芯片具有低功耗、检测频率高、测量分辨率高以及外围电路简单等特点，本申请实施例中，可以选用Pcap01、Pcap02以及Pcap04等作为微电容检测芯片11，以实现电容的高分辨率测量。此外，本申请实施例选用STM32F411CEU6单片机来处理数据，这款单片机的工作频率最高为100MHz，可以满足数据的高速处理、接收与传输，且尺寸较小，大大节省了电路设计空间，实现了高度集成化。

本申请实施例中，针对于较短时间内电容量变化较快的测量场景，设计了一种微电容检测电路，由微电容检测芯片11、单片机12以及外围电路模块 13组成，通过微电容检测芯片11以及外围电路模块13获取待测电容信号，并根据该待测电容信号得到检测电容变化数据，将检测电容变化数据发送至单片机12，以使得单片机12对该检测电容变化数据进行处理，并将处理后的检测电容变化数据发送至上位机2。该检测电路采用的微电容检测芯片测量精度、采集频率高；单片机的工作频率最高能达到100MHz，其通信速率高。因此通过该微电容检测芯片和该单片机组成的检测电路可以实现高速数据采集，其检测频率可达3KHz，并且在该检测频率下的分辨率可达0.02pF，具有较高的检测精度；且该检测电路电路简单、体积小、集成度高。

可选的，微电容检测芯片11设置有CDC模块111，CDC模块111用于将所述待测电容信号转化为待测电容数字信号。

需要说明的是，本申请实施例中的微电容检测芯片11内部设置有专用的电容转化单元。当启动电路时，微电容检测芯片11及其外围电路模块13采集待测电容信号，并通过CDC模块111将该待测电容信号转化为待测电容数字信号。

可选的，微电容检测芯片11还设置有SPI串行接口112，微电容检测芯片11通过SPI串行接口112与单片机12建立连接。

需要说明的是，本申请实施例中，微电容检测芯片11还设置有SPI串行接口112，微电容检测芯片11通过4线硬件SPI的通信方式与单片机12建立连接，通过SPI串行接口112将检测电容变化数据发送给单片机12，其通信总线频率最大可达24MHz，保证了高速通信。

可选的，微电容检测芯片11还设置有多个端口113，多个端口113用于连接电容传感器，以获取待测电容信号。

可选的，微电容检测芯片11还通过多个端口113获取参考电容信号，微电容检测芯片11根据所述待测电容信号和所述参考电容信号得到所述检测电容变化数据。

需要说明的是，微电容检测芯片11还设置有多个端口113，本申请实施例中，微电容检测芯片11设置有PC0～PC5六个微电容连接口，用于与电容传感器连接，以获取待测电容信号与参考电容信号，具体的获取方法为：当电路工作时，电源对参考电容或者待测电容充电，充满电后，再将其进行放电，直至放电到其阈值电压，而放电的时候会被微电容检测芯片11内部的CDC模块111记录。

可选的，单片机12通过USB转TTL的通信方式将所述检测电容变化数据发送至上位机2。

可选的，外围电路模块13设置有去耦电容以及电阻，所述去耦电容以及所述电阻用于增强电路稳定性。

请参阅图2，本申请实施例提供了一种微电容检测系统，包括：

微电容检测电路1以及上位机2；微电容检测电路1与上位机2通讯连接，微电容检测电路1用于采集待测电容信号并通过内部转换输出相应的检测电容变化数据发送至上位机2；上位机2用于将所述微电容检测电路传输过来的检测电容变化数据实时转换为电容值进行显示并保存为自定义文件路径下的 Excel文件；微电容检测电路1为前述实施例所描述的微电容检测电路1。

需要说明的是，本申请实施例中，通过微电容检测电路1采集电容信号值后，将采集值打包发送给上位机2，上位机2接收到数据后再将其处理进行显示和存储。上位机2是基于图形化编程的LabVIEW所设计开发的软件程序，能够将单片机12打包传输过来的测量电容值实时显示，并且能将测量电容值保存为自己所选择文件路径下的Excel文件，方便后续处理。

本申请实施例中的微电容检测系统，满足了对微电容信号在高检测频率下的高精度检测。

需要说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种微电容检测电路，其特征在于，包括：微电容检测芯片、单片机以及外围电路模块；

所述微电容检测芯片、所述单片机以及所述外围电路模块互相连接；

所述微电容检测芯片用于获取待测电容信号，并根据所述待测电容信号得到检测电容变化数据；

所述微电容检测芯片和所述外围电路模块用于将所述检测电容变化数据发送至所述单片机；

所述单片机用于控制所述微电容检测芯片的工作状态以及处理接收到的所述检测电容变化数据；

所述微电容检测芯片设置有CDC模块，所述CDC模块用于将所述待测电容信号转化为待测电容数字信号。

2.根据权利要求1所述的微电容检测电路，其特征在于，所述微电容检测芯片还设置有SPI串行接口，所述微电容检测芯片通过所述SPI串行接口与所述单片机建立连接。

3.根据权利要求1所述的微电容检测电路，其特征在于，所述微电容检测芯片还设置有多个端口，所述多个端口用于连接电容传感器，以获取待测电容信号。

4.根据权利要求3所述的微电容检测电路，其特征在于，所述微电容检测芯片还通过所述多个端口获取参考电容信号，所述微电容检测芯片根据所述待测电容信号和所述参考电容信号得到所述检测电容变化数据。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的微电容检测电路，其特征在于，所述单片机通过USB转TTL的通信方式将所述检测电容变化数据发送至上位机。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的微电容检测电路，其特征在于，所述外围电路模块设置有去耦电容以及电阻，所述去耦电容以及所述电阻用于增强电路稳定性。

7.一种微电容检测系统，其特征在于，包括：微电容检测电路以及上位机；所述微电容检测电路与所述上位机通讯连接，所述微电容检测电路用于采集待测电容信号并通过内部转换输出相应的检测电容变化数据发送至所述上位机；所述上位机用于将所述微电容检测电路传输过来的检测电容变化数据实时转换为电容值进行显示并保存为自定义文件路径下的Excel文件；所述微电容检测电路为权利要求1至6中任意一项所述的微电容检测电路。

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