CN101359011A

CN101359011A - 测量微量电容变化的电路

Info

Publication number: CN101359011A
Application number: CNA2008101515067A
Authority: CN
Inventors: 秦旭东; 鲍云竹
Original assignee: TIANJIN FUTURE INSTRUMENTATION TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: TIANJIN FUTURE INSTRUMENTATION TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: CN101359011B

Abstract

本发明属于电容检测技术领域，涉及一种测量微量电容变化的电路，包括基准信号发生电路，电桥电路，第一放大整形电路，第二放大整形电路，信号比较电路，其中，基准信号发生电路，生成用以驱动电桥电路的对称的交流信号，接在第二放大整形电路的输入端；待测电容和基准电容分别接在电桥电路的两个桥臂上，电桥电路的驱动信号即为所述的基准信号，其输出信号即为待测信号，待测信号接入第一放大整形电路的输入端；两个放大整形电路的输出分别接在信号比较电路的两个输入端；信号比较电路用于根据两个放大整形电路的输出信号的相位信息，判断待测电容是否发生变化。本发明的电路结构新颖，体积小，具有高可靠性，对环境要求低，无须特殊元件筛选工艺，无须调试的优点。

Description

测量微量电容变化的电路

技术领域

本发明属于电容检测技术领域，具体涉及一种定性、定量测量微量电容变化的电路。

技术背景

目前，电容信号的测量技术主要有一下几种：

1、充/放电电容测量电路。

2、AC电桥电容测量电路。

3、交流锁相放大电容测量电路。

4、基于V/T变换的电容测量电路。

5、基于电荷放大原理的电容测量电路。

6、振荡法测量电路。

综述，要得到较高精度的微电容量测量，要求测量环境非常稳定，这限制了仪器的使用范围。其测量原理都属于定量测量，因而测量设备的使用的元件要求严格筛选、匹配，工艺复杂，成本很高，不利于实现大规模的现代化流水线作业生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种结构新颖，体积小，具有高可靠性，对环境要求低，无须特殊元件筛选工艺，无须调试的特点，便于实现大规模的现代化流水线作业生产的测量微量电容变化的电路。

本发明是以下述技术方案解决上述技术问题的：

一种测量微量电容变化的电路，包括基准信号发生电路，电桥电路，第一放大整形电路，第二放大整形电路，信号比较电路，其中，

基准信号发生电路，生成用以驱动电桥电路的对称的交流信号，并且接在第二放大整形电路的输入端；

电桥电路桥臂上分别连接有电容器，待测电容和基准电容分别接在电桥电路的两个桥臂上，所述电桥电路的驱动信号即为所述的基准信号，其输出信号即为反应待测电容变化的待测信号，所述的待测信号接入第一放大整形电路的输入端；

两个放大整形电路的输出分别接在信号比较电路的两个输入端；

所述的信号比较电路用于根据两个放大整形电路的输出信号的相位信息，判断待测电容是否发生变化。

作为优选实施方式，上述的电路中，所述的基准信号为对正弦信号；所述的第二放大整形电路中，由分压电阻分出两个阈值电压，基准信号与其中一个阈值电压叠加后进入第二放大整形电路的一个输入端，另一个阈值电压进入第二放大整形电路的另一个输入端，第二放大整形电路的输出端与信号比较电路的输入端相接；调节所述的两个阈值电压，控制输出信号占空比在30％~40％或60％~70％；所述的信号比较电路由开关控制电路和与其输出相连的积分电路构成；所述的积分电路包括两个积分电阻和一个积分电容，在开关控制电路输出端与地之间依次串接有第一积分电阻和第二积分电阻，所述的第二积分电阻与积分电容并联接地，第一积分电阻与积分电容之间的积分常数小于第二积分电阻与积分电容之间的积分常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实用性强，能很好的抵抗各种因素的干扰(如温度、湿度、静电、原电池效应等)，可工作在各种环境恶劣的工矿场合，灵活性、扩展性好，可广泛应用于各种工业，民用测量领域。

本发明结构简单可靠，只对元件的稳定性有一定的要求，无任何高精度元器件，无须筛选，工艺简单，安装方便，有利于实现大规模的现代化流水线作业生产。

附图说明

图1是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”的结构框图。

图2(a)是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”实施例1的电路原理简图。

图2(b)是实施例1中，当基准波形电压信号U(IN)和A点处的待测电压信号的波形分别如图中所示时，B、C、D、U(OUT)各处电压信号的波形图。

图2(c)是实施例1中，当基准波形电压信号U(IN)和A点处的待测电压信号的波形分别如图中所示时，B、C、D、U(OUT)各处电压信号的波形图。

图3(a)是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”实施例2的电路原理简图。

图3(b)是实施例2中，当基准波形电压信号U(IN)和A点处的待测电压信号的波形分别如图中所示时，B、C、D、U(OUT)各处电压信号的波形图。

图3(c)是实施例2中，当基准波形电压信号U(IN)和A点处的待测电压信号的波形分别如图中所示时，B、C、D、U(OUT)各处电压信号的波形图。

图4(a)是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”采用逻辑集成电路作为开关控制电路的电路原理示意图。

图4(b)和图4(c)分别是采用如图4(a)所示的开关器件时，B、C、D各处电压信号的波形图。

图5是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”采用微处理器作为开关控制电路的电路原理示意图。

图6是本发明“测量微量电容变化的方法及电路”可采用的另外一种更为精确的电桥电路原理示意图。

下面是本发明说明书附图中附图标记的说明：

图1中的“平衡电桥”为图2(a)和图3(a)中的“CX、C1、C2”，

图1中的“基准信号”为图2(a)和图3(a)中的“U(IN)”，

图1中的“放大整形电路1”为图2(a)和图3(a)中的“R5～R8、N1A”，

图1中的“放大整形电路2”为图2(a)和图3(a)中的“R9～R13、C4、N1B”，

图1中的“开关控制电路”为图2(a)和图3(a)中的“R14、V1、V2”，

图1中的“积分电路”为图2(a)和图3(a)中的“R15、R16、C5”。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

本发明的电路模块如果图1所示，包括一个电桥电路，二个放大整形电路，一个信号比较电路(包括一个开关控制电路，一个积分电路)，通过定性测量的方法，经计算得出电容变化的量，或者根据鉴相结果直接得到定性的开关量。

其中所述电桥电路可以是多种构造的平衡电桥电路及其变形，其作用是定性的对比待测量电容和基准电容的平衡特性。所述二个放大及整形电路，可以是任意形式的放大及整形电路，其中放大整形电路1的作用是将待测信号“A”放大成为具有相位信息的脉冲信号“B”；放大整形电路2的作用是将基准信号U(IN)放大整形成为具有相位信息的脉冲信号“C”。所述开关控制电路可以是任意形式的具有开关功能的电子电路，其特点是具有二个信号输入端，将放大电路输出的二个脉冲信号“B”、“C”输入，对信号的相位进行比对，并输出比对结果“D”。所述积分电路作用是将开关控制电路的输出信号进行平滑处理，得到一个低纹波平滑的直流电压U(OUT)。

1、使用基准信号U(IN)驱动一个电桥，电桥可选多种形式，如惠斯顿电桥、开尔文电桥等，为简化电路方便说明，在图2(a)和图3(b)中，使用了一种“Y”形3臂电桥。要求电桥使用的是对称的交流驱动信号，波形任意，为了提高测量准确性，建议使用正弦波，因为正弦波的波形谐波含量最少，有利于测量和分析。由于使用正弦波驱动电桥，所以电桥产生的输出信号具有相位特性，即当被测电容大于平衡点电容时电桥输出α＝0相位的信号“A”，当被测电容小于平衡点电容时电桥输出α＝180相位的信号“A”。本发明使用的方法就是定性的检测被测电容与平衡点电容平衡的临界状态，并由此计算出被测电容容量。

2、放大整形电路1，此电路的作用是放大电桥输出信号“A”，可以是任意形式的放大电路，只要满足本发明的设计需要。在此仅举2例说明工作原理。实施例1如附图2(a)所示，该电路为了节省电源数量采用单电源设计，由分压元件R5、R6，分压得到一个介于正电源和地之间的合理的直流电位，用于放大电路的直流偏置。放大电路将“A”放大成为方波“B”。实施例2如附图3(a)所示，该电路使用的是正负双电源，节省了分压偏置电路，同样将“A”放大成为方波“B”，但与附图2中电路对比，方波相位相反。

方波的占空比理论上无严格要求，实际应用中为得到较好的效果，建议控制占空比在30％~40％。为方便说明原理，附图2(b)、图2(c)、图3(b)、图3(c)中使用50％占空比。综合两个实施例可见，该发明灵活性大，对电源无特定性要求，对放大电路的具体实现方法无特定性要求。为了提高电路灵敏度可使用多级放大电路提高放大倍数，实现放大信号的目的。

3、放大整形电路2，此电路的作用是放大并整形U(IN)，可以是任意形式的放大电路，只要满足本发明的设计需要。在此仅举2例说明工作原理。参见附图2(a)，该电路由分压元件R9、R10、R11划分出2个阈值电压，R12、R13为缓冲元件，U(IN)经电容C4隔直后与较高的阈值电压叠加，再进入放大电路N1B的反向输入端。参见附图3(a)，同附图2(a)中电路基本一致，区别在于较高阈值电压连接放大电路N1B的同相输入端，较低阈值电压连接放大电路N1B的反相输入端，输出与附图2中电路逻辑相反。

调节元件R9、R10、R11的值，可以改变输出波形的占空比。方波的占空比理论上无严格要求，实际应用中为得到较好的效果，建议控制占空比在30％~40％(附图2)；60％~70％(附图3)。

4、开关控制电路，此电路的主要功能是判断放大整形电路1、2的输出信号“B”、“C”的相位信息。参见附图2(a)的电路原理图以及图2(b)和图2(c)的波形图，当“A”与U(IN)同相时，放大整形电路1输出“B”与放大整形电路2输出“C”异相，开关控制电路无输出；反之，当“A”与U(IN)反相时，放大整形电路1输出“B”与放大整形电路2输出“C”同相，开关控制电路输出一个与“C”相同的脉冲“D”。参见附图3(a)的电路原理图以及图3(b)和图3(c)的波形图，当“A”与U(IN)同相时，放大整形电路1输出“B”与放大整形电路2输出“C”同相，开关控制电路无输出；反之，当“A”与U(IN)反相时，放大整形电路1输出“B”与放大整形电路2输出“C”异相，开关控制电路输出一个与“C”相反的脉冲“D”。

综合附图2(a)、图3(a)可见，此开关控制电路灵活性大，无特定的输入输出模式限制。

另：附图2(a)、图3(a)中只是为了简化电路方便理解，使用了最简化的分立元件，为了得到更好的开关特性，此开关电路还可以使用专用的电子开关器件实现功能。例如使用逻辑集成电路实现开关控制功能，附图4(a)中仅画出了开关控制电路，信号波形图如图4(b)和图4(c)所示，当信号“B”和信号“C”同相时，有输出脉冲，当信号“B”和信号“C”异相时，无输出。

5、积分电路，此电路主要功能是将开关控制电路的输出脉冲信号“D”，积分成直流电平U(OUT)，方便定性测量。其中R15、C5构成积分充电回路，当开关控制电路有脉冲输出时，脉冲经过R15对C5充电，积分电路输出逻辑“1”。其中R16、C5构成积分放电回路，当开关控制电路没有脉冲输出时，C5经过R16放电，积分电路输出逻辑“0”。R15、C5的积分常数要求小于R16、C5的积分常数。

6、综合1~5，本发明有2种基本用途，一是对被测电容定性的分析，一是对被测电容定量的分析。

定性分析时，在积分电路输出端检测信号“OUT”，当电桥平衡状态使“A”和U(IN)同相时，积分电路假定输出逻辑“0”，再当电桥平衡状态使“A”和U(IN)反相时，积分电路输出相反的逻辑。

定量分析时，缓慢调节电桥驱动信号幅值，检测输出端检测信号U(OUT)，当U(OUT)发生变化时(从“0”到“1”，或者从“1”到“0”)，检测的电桥驱动信号幅值，根据电桥平衡公式，计算可得待测电容量。

由于本发明是由定性测量转换为定量测量的一种技术，测量精度与被测电容量的大小无关，故测量精度高，稳定性好，在整个量程范围内，各点测量精度完全一致。

7、关于对测量结果的有益改善。

1)使用较高精度的基准电容。

2)使用稳定性高的，或有稳定性补偿的电桥电路。

3)使用较高增益、高稳定性的放大电路。

4)使用多级低增益高稳定的放大电路级联充当放大整形电路1。

本发明电气结构简单，电路运行可靠，效率高，体积小，没有特殊的原器件，安装方便，无须调试，有利于实现大规模的现代化流水线作业生产。

尽管上面结合附图对本发明的运行过程进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是最精简及必要的原理性示意，而不是限制性的。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多有益的保护功能和功能强化，这些均属于本发明的保护之内。

例如：

1)原理简图中使用的电桥电路是为了简化电路构造，便于说明，为了得到更高的使用性能，电桥电路可用如附图6的所示的电路。

2)放大整形电路1、2，可以是由分立元件构成的高增益放大电路，也可以是一个高灵敏比较器电路，也可以是一个由多级低增益放大电路组合成的放大电路。

2)开关控制电路，可以是如附图2(a)、3(a)所示的分立元件构成的电路，也可以是如附图4(a)所示的用逻辑集成电路构成的电路，其波形图如附图4(b)和图4(c)所示，也可以是使用时序集成电路构成的电路，或用微处理器直接采集放大整形电路1、2的输出进行相位判断——此时电路省略积分电路部分，如附图5所示。

5)积分电路表示此处需要电容性储能滤波元件，不限制元件的具体使用，可以使用单只电容，也可以使用多只电容并联或使用多级积分电路级联来提高滤波效果。

6)为消除高增益下带来的噪声干扰，可在“A”与放大整形电路1之间加入滤波电路。

Claims

1.一种测量微量电容变化的电路，包括基准信号发生电路，电桥电路，第一放大整形电路，第二放大整形电路，信号比较电路，其中，

2.根据权利要求1所述的测量微量电容变化的电路，其特征在于，所述的基准信号为对正弦信号。

3.根据权利要求1所述的测量微量电容变化的电路，其特征在于，所述的第二放大整形电路，由分压电阻分出两个阈值电压，基准信号与其中一个阈值电压叠加后进入第二放大整形电路的一个输入端，另一个阈值电压进入第二放大整形电路的另一个输入端，第二放大整形电路的输出端与信号比较电路的输入端相接。

4.根据权利要求3所述的测量微量电容变化的电路，其特征在于，调节所述的两个阈值电压，控制输出信号占空比在30％~40％或60％~70％。

5.根据权利要求1所述的测量微量电容变化的电路，其特征在于，所述的信号比较电路由开关控制电路和与其输出相连的积分电路构成。

6.根据权利要求5所述的测量微量电容变化的电路，其特征在于，所述的积分电路包括两个积分电阻和一个积分电容，在开关控制电路输出端与地之间依次串接有第一积分电阻和第二积分电阻，所述的第二积分电阻与积分电容并联接地，第一积分电阻与积分电容之间的积分常数小于第二积分电阻与积分电容之间的积分常数。