CN102435862A

CN102435862A - 微小电容的测试方法

Info

Publication number: CN102435862A
Application number: CN2011103426638A
Authority: CN
Inventors: 马铁华; 李新娥; 张红艳; 张瑜; 沈大伟; 刘芮君; 王亚军
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-10-29
Filing date: 2011-10-29
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: CN102435862B

Abstract

本发明公开的微小电容的测试方法属电容测试、或电容式传感器测试技术领域，采用周期/电压信息转换的方法，即采用周期/电压信息转换、采样、处理的测试电路对微小电容进行测试的方法，思路独特，具有许多优点，测试电路包括电容充放电电路和数据采集存储电路，电容充放电电路包括一个电压比较电路、一个RC振荡电路和一个电压跟随电路，测量电路相互紧密联系又互相制约控制，形成复杂因果关系，测试精度高，保障了微小电容测量的精确性，设计电路选择一个双运放的芯片构成核心电路，芯片较少，故体积小，相比传统电容测量电路，其原理简单、功能强大，降低了功耗和测量的成本，本发明的微小电容的测试方法值得采用和推广。

Description

微小电容的测试方法

一.技术领域

本发明公开的微小电容的测试方法属电容测试、或电容式传感器测试技术领域，具体涉及的是一种通过周期/电压信息转换测试微小电容的方法。

二.背景技术

电容式传感器广泛应用于工业、民用、商用等领域。对于电容的测量，常见的测量仪器只能应用于特定频率段。作为使用企业、研究机构往往只会拥有常用频率段的仪器，很少有针对微小电容测试的高频测量仪器。

因而，对电容特别是电容微小变化量的精确测量是促进应用发展的一个重要的方面。目前所采用的大部分测量方法集成化水平低、精度低。如电桥法利用电桥平衡原理测量电容，测量结果受桥臂电容性能影响较大；振荡法电路结果简单，对待测电容在100pF以下时，板间内电容常会影响测量结果，抗干扰力较差。而且在对微小电容的测量过程中，更容易受到噪声的影响，测试精度上也存在较大的挑战。在本发明“微小电容的测试方法”的技术方案公开之前，关于微小电容量的精确测试方法还未见报道。

三.发明内容

本发明的目的是：向社会提供这种微小电容的测试方法的技术方案，该技术方案能测试微小电容量而且测试精度高。

本发明的技术方案是这样的：这种微小电容的测试方法，技术特点在于：所述的微小电容的测试方法是采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法对微小电容进行测试的方法，这种方法思路很宽广。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法是采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路对微小电容进行测试的方法。所述的测试方法是设计一种周期/电压信息转换的方法对微小电容进行测试的方法。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路是一种高精度的微变电容测量电路，该电路包括电容充放电电路和数据采集存储电路，电容充放电电路包括一个电压比较电路、一个RC振荡电路和一个电压跟随电路。该电路的特点有：其一是基于周期/电压信息转换的电路，其二是测试微小电容的，其三是高精度的。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：a.所述的电压比较电路接收并比较反馈电压信号与参考电压信号，输出对应产生的数字信号，该数字信号同逻辑控制信号C通过与非门来控制对待测电容的充放电，该电路的功能是经过精确比较、控制产生待测电容精确的充放电周期信号。b.所述的RC振荡电路对待测电容进行充放电，是负载电阻R和待测电容C构成振荡电路并对待测电容进行充放电，若该RC振荡电路电压信号为高电平时，即对电容充电，若该电压信号为低电平时，电容放电。c.所述的电压跟随电路对待测电容两端的电压进行跟随，其输出的跟随电压等于待测电容两端电压，并将输出电压反馈至反馈回路中，该电路的功能是把待测电容C的周期信号经过电压跟随电路输出精确的电压信号供给数据采集存储电路进行采样。这样完成或实现了周期/电压信息转换。d.所述的数据采集存储电路，该电路对电压跟随电路输出的电压进行采样存储，采样数据通过处理(如由电脑或其软件进行处理)最终得到待测电容实时的变化值。所述的待测电容C两端的充放电压即是待测电容C两端的测试电压。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的电容充放电电路的RC振荡电路详细结构是：一个负载电阻R与待测电容C成串联接，组成所述的RC振荡电路，对待测电容C进行充放电，负载电阻R的输入端联接与非门的输出端，待测电容C的正端耦接到电压跟随电路的正输入端、负端接地。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：a.所述的电压跟随电路的详细结构是：所述的待测电容的正端耦接电压跟随电路的正输入端，电压跟随电路的输出端联接数据采样存储电路采样端、又联接电压跟随电路的负输入端、还联接反馈回路的输入端；b.所述的电压比较电路的详细结构是：该电路的正输入端联接分压电路经第一分压电阻后的分压输出端、负输入端输入比较的参考电压信号、输出端联接与非门的一个输入端又联接分压电路经第二分压电阻后的分压输出端；与非门的一个输入端联接电压比较电路的输出端又联接分压电路经第二分压电阻后的分压输出端、与非门的另一个输入端输入一个逻辑控制信号，该与非门的输出端联接RC振荡电路之负载电阻R的输入端。所述的逻辑控制信号精确控制RC振荡电路输入频率即充放电频率或充放电周期。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的反馈回路是一个分压电路，该分压电路的输入端联接电压跟随电路的输出端，分压电路的两个串联的分压电阻将反馈电压分压，经第一分压电阻后分压输出端联接到电压比较电路正输入端，经第二分压电阻后分压输出端联接电压比较电路的输出端、也即与非门的一个输入端。所述的反馈回路也即是个分压电路，利用电压跟随电路输出待测电容C两端精确的测试电压，再反馈分压给电压比较电路的正输入端，还分压给与非门的一个输入端，这就使电压比较电路和电压跟随电路形成相互联系紧密又互相制约控制的复杂因果关系，保障了待测电容C微小电容测量的精确性。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的充放电电路的详细结构还有：a.该电路的RC振荡电路的充放电振荡频率为f＝1/2∏RC，选择采用RC振荡电路的振荡频率为20～50MHz，给定了电阻R值，通过RC振荡电路的振荡频率f可以知道待测电容C的测试范围。b.该电路的电压跟随电路的输出端不仅联接数据采集存储电路的A/D采样端，又联接反馈回路的输入端，A/D采样信号和与非门的另一个输入端输入的逻辑控制信号C同步。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的数据采集存储电路的详细结构还有：a.该数据采集存储电路的A/D采样信号选择采用采样频率为100kHz，可知RC振荡电路的振频为A/D采样频率的几百倍，故在A/D采样的一个周期内，对待测电容C充放电几百次，这样可以提高采样的精度。能对待测电容C连续采样并得到实时连续采样数据，由于能够对待测电容C两端的电压进行连续的采样，故能够得到微小电容的瞬态信号变化量，提高了测量的精度。b.该数据采集存储电路的采样数据，由于待测电容值的动态变化，使得充放电周期发生动态变化，使采样得到的采样数据不是充放电周期同一时刻所对应的数据，最终实时采样数据值由软件判断恢复其实时真值。相比目前使用的测量电路，高频振荡可以提高采样频率并提高了测量的精度。

根据以上所述的微小电容的测试方法，技术特点还有：所述的一个电压比较电路和一个电压跟随电路，搭建电路时选择使用一个双运放的芯片构成。该电路中使用的芯片较少，故体积小，相比传统电容测量电路，其原理简单、功能强大，并且降低了功耗和测量的成本。

本发明的微小电容的测试方法优点有：1.本发明的微小电容的测试方法采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法对微小电容进行测试，这种方法思路很宽广、很独特，具有许多优点；2.本发明的微小电容的测试方法采用一种高精度的微变电容测量电路，该电路的特点是：其一是基于周期/电压信息转换的电路，其二是测试微小电容的，其三是高精度的；3.本发明的微小电容的测试方法采用的微变电容测量电路包括电容充放电电路和数据采集存储电路，电容充放电电路包括一个电压比较电路、一个RC振荡电路和一个电压跟随电路，利用电压跟随电路输出待测电容C两端精确的测试电压，再反馈分压给电压比较电路的正输入端，还分压给与非门的一个输入端，这就使电压比较电路和电压跟随电路形成相互联系紧密又互相制约控制的复杂因果关系，保障了待测电容C微小电容测量的精确性；4.本发明的微小电容的测试方法设计电路时选择使用一个双运放的芯片构成一个电压比较电路和一个电压跟随电路，设计中使用的芯片较少，故体积小，相比传统电容测量电路，其原理简单、功能强大，并且降低了功耗和测量的成本。本发明的微小电容的测试方法值得采用和推广。

四.附图说明

本发明的说明书附图共有3幅：

图1为微小电容测试电路原理图；

图2为微小电容测试电路在待测电容值未发生变化时，各端点的时序图；

图3为微小电容测试电路在待测电容微小变化后待测电容两端电压波形图。

各图中：R₀负载电阻；R₁.第一分压电阻；R₂.第二分压电阻；C_x.待测电容；AR₁.数字放大器1；AR₂.数字放大器2；NADA.与非门；A/D.数据采集存储电路；1.为逻辑信号C的波形，与A/D采样信号同步；2.为电路中V0的波形图；3.为电路中D点的波形图；4.为电路中B点的波形图；5.为待测电容值发生变化后V0的波形图。

五.具体实施方式

本发明的微小电容的测试方法非限定实施例如下：

实施例一.微小电容的测试方法

该例的微小电容的测试方法具体情况由图1～图3联合示出，该例的微小电容的测试方法是采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法对微小电容进行测试的方法，该例的测试方法是设计一种周期/电压信息转换的方法对微小电容进行测试的方法。所述的采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法是采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路对微小电容进行测试的方法。采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路是一种高精度的微变电容测量电路，该电路包括电容充放电电路和数据采集存储电路，电容充放电电路包括一个电压比较电路、一个RC振荡电路和一个电压跟随电路。图1示出这种微小电容测试电路原理图，图1中：负载电阻R₀和待测电容C_x构成RC振荡电路，数字放大器1AR₁和与非门NADA组成一个电压比较电路，数字放大器2AR₂构成一个电压跟随电路，这三个电路组成电容充放电电路，还有A/D数据采集存储电路，R₁是第一分压电阻，R₂是第二分压电阻。该电路的特点是：其一是基于周期/电压信息转换的电路，其二是测试微小电容的，其三是高精度的。图2示出微小电容测试电路在待测电容C_x值未发生变化时，各端点的时序图，图3示出微小电容测试电路在待测电容C_x微小变化后待测电容C_x两端电压波形图。该例的电压比较电路AR₁接收并比较反馈电压信号与参考电压信号，输出对应产生的数字信号，该数字信号同逻辑控制信号C通过与非门NADA来控制对待测电容C_x的充放电，该电路的功能是经过精确比较、控制产生待测电容C_x精确的充放电周期信号。该例的RC振荡电路对待测电容C_x进行充放电，是负载电阻R₀和待测电容C_x构成振荡电路并对待测电容C_x进行充放电，若该RC振荡电路电压信号为高电平时，即对电容C_x充电，若该电压信号为低电平时，电容C_x放电。该例的电压跟随电路AR₂对待测电容C_x两端的电压进行跟随，其输出的跟随电压等于待测电容C_x两端电压，并将输出电压反馈至反馈回路中，该电路的功能是把待测电容C_x的周期信号经过电压跟随电路输出精确的电压信号供给数据采集存储电路进行采样。该例的数据采集存储电路，对电压跟随电路输出的电压进行采样存储，采样数据通过处理(如由电脑或其软件进行处理)最终得到待测电容C_x实时的变化值。该例的待测电容C_x两端的充放电压即是待测电容C_x两端的测试电压。该例的电容充放电电路的RC振荡电路详细结构是：一个负载电阻R₀与待测电容C_x成串联接，组成所述的RC振荡电路，对待测电容C_x进行充放电，负载电阻R₀的输入端联接与非门NADA的输出端，待测电容C_x的正端耦接到电压跟随电路AR₂的正输入端、负端接地。该例的电压跟随电路AR₂的详细结构是：该例的待测电容C_x的正端耦接电压跟随电路AR₂的正输入端，电压跟随电路AR₂的输出端联接数据采样存储电路采样端、又联接电压跟随电路AR₂的负输入端、还联接反馈回路的输入端。该例的电压比较电路AR₁的详细结构是：该电路的正输入端联接分压电路经第一分压电阻R₁后的分压输出端、负输入端输入比较的参考电压信号、输出端联接与非门NADA的一个输入端又联接分压电路经第二分压电阻R₂后的分压输出端。与非门NADA的一个输入端联接电压比较电路AR₁的输出端又联接分压电路经第二分压电阻R₂后的分压输出端、与非门NADA的另一个输入端输入一个逻辑控制信号，该与非门NADA的输出端联接RC振荡电路之负载电阻R₀的输入端。该例的逻辑控制信号精确控制RC振荡电路输入频率即充放电频率或充放电周期。该例的反馈回路是一个分压电路，该分压电路的输入端联接电压跟随电路AR₂的输出端，分压电路的两个串联的分压电阻R₁、R₂将反馈电压分压，经第一分压电阻R₁后分压输出端联接到电压比较电路AR₁正输入端，经第二分压电阻R₂后分压输出端联接电压比较电路AR₁的输出端、也即与非门NADA的一个输入端。该例的反馈回路也即是个分压电路，利用电压跟随电路AR₂输出待测电容C_x两端精确的测试电压，再反馈分压给电压比较电路AR₁的正输入端，还分压给与非门NADA的一个输入端，这就使电压比较电路AR₁和电压跟随电路AR₂形成相互联系紧密又互相制约控制的复杂因果关系，保障了待测电容C_x微小电容测量的精确性。该例的充放电电路的详细结构还有：该电路的RC振荡电路的充放电振荡频率为f＝1/2∏R₀C_x，选择采用RC振荡电路的振荡频率为20～50MHz，给定了电阻R₀值，通过RC振荡电路的振荡频率f可以知道待测电容C_x的测试范围。该电路的电压跟随电路AR₂的输出端不仅联接数据采集存储电路的A/D采样端，又联接反馈回路的输入端，A/D采样信号和与非门NADA的另一个输入端输入的逻辑控制信号同步。该例的数据采集存储电路的详细结构还有：该数据采集存储电路的A/D采样信号选择采用采样频率为100kHz，可知RC振荡电路的振频为A/D采样频率的几百倍(约为200多倍)，故在A/D采样的一个周期内，对待测电容C_x充放电几百次，这样可以提高采样的精度。能对待测电容C_x连续采样并得到实时连续采样数据，由于能够对待测电容C_x两端的电压进行连续的采样，故能够得到微小电容的瞬态信号变化量，提高了测量的精度。该数据采集存储电路的采样数据，由于待测电容C_x值的动态变化，使得充放电周期发生动态变化，使采样得到的采样数据不是充放电周期同一时刻所对应的数据，最终实时采样数据值由软件判断恢复其实时真值。相比目前使用的测量电路，高频振荡可以提高采样频率并提高了测量的精度。该例的一个电压比较电路AR₁和一个电压跟随电路AR₂，搭建电路时选择使用一个双运放的芯片构成。该电路中使用的芯片较少，故体积小，相比传统电容测量电路，其原理简单、功能强大，并且降低了功耗和测量的成本。

实施例二.微小电容的测试方法

该例的微小电容的测试方法具体可用图1～图3等联合示出，该例的微小电容的测试方法与实施例一微小电容的测试方法不同点有：该例选择采用RC振荡电路的振荡频率为20MHz，该例的微小电容的测试方法其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。

实施例三.微小电容的测试方法

该例的微小电容的测试方法具体可用图1～图3等联合示出，该例的微小电容的测试方法与实施例一、实施例二微小电容的测试方法不同点有：该例选择采用RC振荡电路的振荡频率为50MHz，该例的微小电容的测试方法其余未述的，全同于实施例一、实施例二中所述的，不再重述。

实施例四.微小电容的测试方法

该例的微小电容的测试方法具体可用图1～图3等联合示出，该例的微小电容的测试方法与实施例一～实施例三微小电容的测试方法不同点有：该例选择采用RC振荡电路的振荡频率为30MHz或40MHz，该例的微小电容的测试方法其余未述的，全同于实施例一～实施例三中所述的，不再重述。

Claims

1.一种微小电容的测试方法，特征在于：所述的微小电容的测试方法是采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法对微小电容进行测试的方法。

2.根据权利要求1所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的采用快速变化的周期信息转换为电压信息的方法是采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路对微小电容进行测试的方法。

3.根据权利要求2所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的采用一种周期/电压信息转换、采样、处理或计算的测试电路是一种高精度的微变电容测量电路，该电路包括电容充放电电路和数据采集存储电路，电容充放电电路包括一个电压比较电路、一个RC振荡电路和一个电压跟随电路。

4.根据权利要求3所述的微小电容的测试方法，特征在于：

a.所述的电压比较电路接收并比较反馈电压信号与参考电压信号，输出对应产生的数字信号，该数字信号同逻辑控制信号通过与非门来控制对待测电容的充放电；

b.所述的RC振荡电路对待测电容进行充放电；

c.所述的电压跟随电路对待测电容两端的电压进行跟随，其输出的跟随电压等于待测电容两端电压，并将输出电压反馈至反馈回路中；

d.所述的数据采集存储电路，该电路对电压跟随电路输出的电压进行采样存储，采样数据通过处理最终得到待测电容实时的变化值。

5.根据权利要求3、或4所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的电容充放电电路的详细结构是：一个负载电阻R与待测电容成串联接，组成所述的RC振荡电路，对待测电容进行充放电，负载电阻R的输入端联接与非门的输出端，待测电容的正端耦接到电压跟随电路的正输入端，负端接地。

6.根据权利要求3、或4所述的微小电容的测试方法，特征在于：

a.所述的电压跟随电路的详细结构是：所述的待测电容的正端耦接电压跟随电路的正输入端，电压跟随电路的输出端联接数据采样存储电路采样端、又联接电压跟随电路的负输入端、还联接反馈回路的输入端；

b.所述的电压比较电路的详细结构是：该电路的正输入端联接分压电路经第一分压电阻后的分压输出端、负输入端输入比较的参考电压信号、输出端联接与非门的一个输入端又联接分压电路经第二分压电阻后的分压输出端；与非门的一个输入端联接电压比较电路的输出端又联接分压电路经第二分压电阻后的分压输出端、与非门的另一个输入端输入一个逻辑控制信号，该与非门的输出端联接RC振荡电路之负载电阻R的输入端。

7.根据权利要求4所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的反馈回路是一个分压电路，该分压电路的输入端联接电压跟随电路的输出端，分压电路的两个串联的分压电阻将反馈电压分压，经第一分压电阻后分压输出端联接到电压比较电路正输入端，经第二分压电阻后分压输出端联接电压比较电路的输出端、也即与非门的一个输入端。

8.根据权利要求5所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的充放电电路的详细结构还有：

a.该电路的RC振荡电路的充放电振荡频率为f＝1/2HRC，选择采用RC振荡电路的振荡频率为20～50MHz；

b.该电路的电压跟随电路的输出端不仅联接数据采集存储电路的A/D采样端，又联接反馈回路的输入端，A/D采样信号和与非门的另一个输入端输入的逻辑控制信号同步。

9.根据权利要求3、或4所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的数据采集存储电路的详细结构还有：

a.该数据采集存储电路的A/D采样信号选择采用采样频率为100kHz，能对待测电容连续采样并得到实时连续采样数据；

b.该数据采集存储电路的采样数据，由于待测电容值的动态变化，使得充放电周期发生动态变化，使采样得到的采样数据不是充放电周期同一时刻所对应的数据，最终实时采样数据值由软件判断恢复。

10.根据权利要求6所述的微小电容的测试方法，特征在于：所述的一个电压比较电路和一个电压跟随电路，选择使用一个双运放的芯片构成。