CN102435859B - 基于交流压降平衡的微小电容测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于交流压降平衡的微小电容测量电路，包括输入端激励电路、测量电路、输出端检测电路和用于切换输入端激励电路对测量电路的输入电压方向的选择开关电路；输入端激励电路通过选择开关电路与测量电路连接；所述的输出端检测电路的输入端与测量电路的参考电阻和被测电容连接。还涉及基于交流压降平衡的微小电容测量方法，测量步骤为：a、设置本发明的测量电路；b、调节选择开关电路的状态，当输出端检测电路的输出端的电压值幅值相等时，记下交流电压激励源的频率；c、推导计算得出被测电容值。本发明能有效地抑制交流电压源波动和外界噪声的影响；很好地消除杂散电容的影响；有效地抑制温度漂移；抑制零点漂移的能力提高。

Description

基于交流压降平衡的微小电容测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，特别是一种基于交流压降平衡的微小电容测量电路及测量方法。

背景技术

电容是电学中重要的物理参数之一，电容器广泛应用于电子电路的设计和电子产品开发中，而电容量的大小会对电路特性带来直接影响。在某些场合下要求对电容器的电容量进行测量，如某未知参数的电容，以及电容式传感器中的电容，因此，电容量的测量则成为其必要的手段。

现阶段微小电容测量方法包括谐振法、振荡法、充放电法、交流电桥法、交流锁相放大电容测量法、基于V/T变换的电容测量法、基于混沌理论的恒流式混沌测量法、基于电荷放大原理的电容测量法等8种测量方法。这些测量方法各有优缺点，相比较而言，交流锁相放大测量法是目前应用最好的检测电路，其优点是抗杂散性、分辨率较高。图1为交流锁相放大电容测量电路，正弦信号Ui(t)对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻R_f、反馈电容C_f和由运算放大器组成的带负反馈回路的C/V转换电路，输出电压Uo(t)如下式：

$U_o\left(t\right)=-\frac{\mathrm{j\ω}{R}_f{C}_x}{\mathrm{j\ω}{R}_f{C}_f+1}{U}_i\left(t\right)---\left(1\right)$

若jωR_fC_f>>1，则(1)式为

$U_o\left(t\right)=-\frac{C_x}{C_f}{U}_i\left(t\right)---\left(2\right)$

上式表明，输出电压值正比于被测电容值，进而可以得到被测电容：

$C_x=-\frac{U_o\left(t\right)}{U_i\left(t\right)}{C}_f---\left(3\right)$

由于交流锁相放大电容测量电路采用交流放大器，所以低漂移、信噪比高，但电路较复杂，成本较高，抗杂散性仍有待提高且分辨率只能达到nF级。中国专利201010500688.1《一种微电容测量方法及专用装置》，对交流锁相放大法做了改进，但该电路对激励电压源波动缺少抑制措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有微电容测量电路及方法的不足，本发明提供一种基于交流压降平衡的微小电容测量电路及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于交流压降平衡的微小电容测量电路，包括输入端激励电路、测量电路、输出端检测电路和用于切换输入端激励电路对测量电路的输入电压方向的选择开关电路；所述的选择开关电路的一端与输入端激励电路的输出端连接，另一端接地；所述的测量电路由参考电阻和被测电容串联组成；输入端激励电路通过选择开关电路与测量电路连接；所述的输出端检测电路的输入端与测量电路的参考电阻和被测电容连接。

所述的输入端激励电路由交流电压激励源、第一限流电阻和第一电压串联负反馈电路组成。

所述的第一电压串联负反馈电路由第一定值电阻、第一反馈电阻和第一运算放大器组成，第一定值电阻一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端接地，第一反馈电阻的一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的输出端为输入端激励电路的输出端。

所述的输出端检测电路具有带恒流源的集电极对称的差分放大器和第二电压串联负反馈电路，差分放大器的第一晶体管的基极连接第一基区电阻，差分放大器的第二晶体管的基极连接第二基区电阻。

所述的第二电压串联负反馈电路由第二定值电阻、第三定值电阻、第二反馈电阻和第二运算放大器组成，第二运算放大器的同相端与第一晶体管的集电极连接，反相端与第二运算放大器的输出端连接，第二定值电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第三定值电阻串联，第三定值电阻的另一端接地，所述的第二反馈电阻与第二定值电阻和第三定值电阻连接，第二反馈电阻与差分放大器的第二晶体管的基极连接，第二运算放大器的输出端为输出端检测电路的输出端。

一种基于交流压降平衡的微小电容测量方法，测量步骤为：

（a）设置输入端激励电路、测量电路、输出端检测电路和用于切换输入端激励电路对测量电路的输入电压方向的选择开关电路；所述的选择开关电路的一端连接输入端激励电路的输出端，另一端接地；所述的测量电路由参考电阻和被测电容串联组成；输入端激励电路通过选择开关电路连接测量电路；所述的输出端检测电路的输入端连接测量电路的参考电阻和被测电容；

（b）调节输入端激励电路的输出频率，使选择开关电路在不同状态时，输出端检测电路的输出端的电压值幅值相等，记下此时输入端激励电路的输出频率；

（c）推导计算得出被测电容值。

所述的输入端激励电路由交流电压激励源、第一限流电阻和第一电压串联负反馈电路组成。

所述的第一电压串联负反馈电路由第一定值电阻、第一反馈电阻和第一运算放大器组成，第一定值电阻一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端接地，第一反馈电阻的一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的输出端为输入端激励电路的输出端。

所述的输出端检测电路具有带恒流源的集电极对称的差分放大器和第二电压串联负反馈电路，差分放大器的第一晶体管的基极连接第一基区电阻，差分放大器的第二晶体管的基极连接第二基区电阻。

所述的第二电压串联负反馈电路由第二定值电阻、第三定值电阻、第二反馈电阻和第二运算放大器组成，第二运算放大器的同相端与第一晶体管的集电极连接，反相端与第二运算放大器的输出端连接，第二定值电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第三定值电阻串联，第三定值电阻的另一端接地，所述的第二反馈电阻与第二定值电阻和第三定值电阻连接，第二反馈电阻与差分放大器的第二晶体管的基极连接，第二运算放大器的输出端为输出端检测电路的输出端。

本发明的有益效果是，本发明一种基于交流压降平衡的微小电容测量电路及测量方法，具有以下优点：

（1）在输入端和输出端都应用电压串联负反馈电路结构，可以有效地抑制交流电压源波动和外界噪声的影响；

（2）输入端第一限流电阻及反馈网络、测量电路的参考电阻均有限制电流的作用，可很好消除杂散电容的影响；

（3）输出端采用差分放大电路，可以有效地抑制温度漂移，提高电路的稳定性；

（4）差分放大电路带有恒流源，可以大大提高共模抑制比，即提高抑制零点漂移的能力；

（5）电阻的稳定性比电容的稳定性更好，因此采用电阻分压精度更容易保证。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是交流锁相放大电容测量原理图。

图2是本发明的微电容测量原理图。

图中1、输入端激励电路，2、测量电路,3、输出端检测电路,4、选择开关电路。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2所示，本发明的微电容测量原理图，图中输入端激励电路1包括交流电压激励源Vs、电阻Rs、运算放大器A1，电阻R1和反馈电阻Rf1。交流电压源Vs的输出电平经过电阻Rs连接到运算放大器A1的正输入端，运算放大器A1对输入电平进行放大；电阻R1和反馈电阻Rf1组成的负反馈网络，将运算放大器A1的输出电压的一部分反馈到运算放大器A1的负输入端。输入端电路引入电压串联负反馈。输入端激励电路1通过选择开关S，将输入端激励电路1的输出电压施加到测量电路2两端。

测量电路2由参考电阻R与被测电容Cx串联组成。参考电阻R、电阻Rs和输入端激励电路1的反馈网络有限制电流的作用，能够有效消除杂散电容对测量的影响。

输出端检测电路3包括带恒流源的差分放大器、运算放大器A2、反馈电阻Rf2、负载电阻R2和R3。Rf2、R2、R3构成反馈网络，输出端电路引入电压串联负反馈。因为在负反馈放大电路中，电压反馈可减少输出阻抗，串联反馈起到增加输入阻抗的作用。所以，输入端引入电压串联负反馈，不仅能够抑制交流电压源的波动，以及抑制测量电路2对交流电压源造成的影响，而且能够有效消除因交流电压源内阻抗引起的杂散性，增强电路的稳定性。在输出端引入电压串联负反馈能够有效地减少外界噪声对测量电路2的影响,同时增强了电路的稳定性和抗杂散性。

本发明的原理如下：

设交流电压源Vs产生的正弦波电压为

Vs=Vsin(ωt+β)                 （4）

运算放大器A1的输出电压为

$V_A=V_S(1+\frac{R_{f1}}{R_1})---\left(5\right)$

设测量电路2上节点B处的电压为V_B，因为输出端的阻抗远远大于Cx的容抗，所以B点电压可以认为是测量电路2两端电压在B点的分压。

当选择开关S上掷，B节点的电压为

$V_{B1}=V_A\frac{\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_x}}{R+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_x}}---\left(6\right)$

当选择开关S下掷，B节点电压为

$V_{B2}=V_A\frac{R}{R+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_x}}---\left(7\right)$

输出端检测电路3是一个电压串联负反馈电路，设其闭环电压放大倍数为K，则输出电压Vo，有

Vo=KV_B                （8）

设当开关S上掷时，输出电压为V_o1；当开关S下踯时，输出电压为V_o2调节正弦波激励电压源的频率ω，使ω在某一频率下，即在ω=ω'时，

|V_o1|=|V_o2|              （9）

从而经过计算可得：

$C_x=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^{\′}R}---\left(10\right)$

本发明可以按以下步骤实施：

（1）设定交流电压源V_S产生电压的频率ω和幅值V；

（2）将选择开关S上掷，将此时输出电压记为V_o1；

（3）将开关选择S下掷，将此时检测单元的输出电压记为V_o2；

（4）调节交流电压源V_S产生电压的频率ω后,重复步骤（2）、（3），直至在特定频ω'下，|V_o1|=|V_o2|；

（5）经计算得

容易计算得出，本发明的测量范围是0.01pF-100uF,分辨率为3×10^-15F,测量误差为0.1～0.5%，测量效果好，抗杂散性强，具有较好的实际应用价值。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于交流压降平衡的微小电容测量电路，其特征在于：包括输入端激励电路（1）、测量电路（2）、输出端检测电路（3）和用于切换输入端激励电路（1）对测量电路（2）的输入电压方向的选择开关电路（4）；所述的选择开关电路（4）的一端与输入端激励电路（1）的输出端连接，另一端接地；所述的测量电路（2）由参考电阻和被测电容串联组成；输入端激励电路（1）通过选择开关电路（4）与测量电路（2）连接；所述的输出端检测电路（3）的输入端与测量电路（2）的参考电阻和被测电容连接；

所述的输出端检测电路（3）具有带恒流源的集电极对称的差分放大器和第二电压串联负反馈电路，差分放大器的第一晶体管的基极连接第一基区电阻，差分放大器的第二晶体管的基极连接第二基区电阻。

2.如权利要求1所述的基于交流压降平衡的微小电容测量电路，其特征在于：所述的输入端激励电路（1）由交流电压激励源、第一限流电阻和第一电压串联负反馈电路组成。

3.如权利要求2所述的基于交流压降平衡的微小电容测量电路，其特征在于：所述的第一电压串联负反馈电路由第一定值电阻、第一反馈电阻和第一运算放大器组成，第一定值电阻一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端接地，第一反馈电阻的一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的输出端为输入端激励电路（1）的输出端。

4.如权利要求1所述的基于交流压降平衡的微小电容测量电路，其特征在于：所述的第二电压串联负反馈电路由第二定值电阻、第三定值电阻、第二反馈电阻和第二运算放大器组成，第二运算放大器的同相端与第一晶体管的集电极连接，反相端与第二运算放大器的输出端连接，第二定值电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第三定值电阻串联，第三定值电阻的另一端接地，所述的第二反馈电阻与第二定值电阻和第三定值电阻连接，第二反馈电阻与差分放大器的第二晶体管的基极连接，第二运算放大器的输出端为输出端检测电路（3）的输出端。

5.一种基于交流压降平衡的微小电容测量方法，其特征在于：

（a）设置输入端激励电路（1）、测量电路（2）、输出端检测电路（3）和用于切换输入端激励电路（1）对测量电路（2）的输入电压方向的选择开关电路（4）；所述的选择开关电路（4）的一端连接输入端激励电路（1）的输出端，另一端接地；所述的测量电路（2）由参考电阻和被测电容串联组成；输入端激励电路（1）通过选择开关电路（4）连接测量电路（2）；所述的输出端检测电路（3）的输入端连接测量电路（2）的参考电阻和被测电容；

（b）调节输入端激励电路（1）的输出频率，使选择开关电路（4）在不同状态时，输出端检测电路（3）的输出端的电压值幅值相等，记下此时输入端激励电路（1）的输出频率；

（c）推导计算得出被测电容值。

6.如权利要求5所述的基于交流压降平衡的微小电容测量方法，其特征在于：所述的输入端激励电路（1）由交流电压激励源、第一限流电阻和第一电压串联负反馈电路组成。

7.如权利要求6所述的基于交流压降平衡的微小电容测量方法，其特征在于：所述的第一电压串联负反馈电路由第一定值电阻、第一反馈电阻和第一运算放大器组成，第一定值电阻一端与第一运算放大器的反相端连接，另一端接地，第一反馈电阻的一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端与第一运算放大器的反相端连接，第一运算放大器的输出端为输入端激励电路（1）的输出端。

8.如权利要求5所述的基于交流压降平衡的微小电容测量方法，其特征在于：所述的输出端检测电路（3）具有带恒流源的集电极对称的差分放大器和第二电压串联负反馈电路，差分放大器的第一晶体管的基极连接第一基区电阻，差分放大器的第二晶体管的基极连接第二基区电阻。

9.如权利要求8所述的基于交流压降平衡的微小电容测量方法，其特征在于：所述的第二电压串联负反馈电路由第二定值电阻、第三定值电阻、第二反馈电阻和第二运算放大器组成，第二运算放大器的同相端与第一晶体管的集电极连接，反相端与第二运算放大器的输出端连接，第二定值电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第三定值电阻串联，第三定值电阻的另一端接地，所述的第二反馈电阻与第二定值电阻和第三定值电阻连接，第二反馈电阻与差分放大器的第二晶体管的基极连接，第二运算放大器的输出端为输出端检测电路（3）的输出端。 

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