CN103376366B - 一种测量电容值的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电容值的方法和设备。该方法包括：接收原始信号；使用电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块对所述原始信号的相位进行调制，得到目标信号，其中，所述采样电容(C)的一端与所述电阻(R)相连，另一端接地；比较所述原始信号和所述目标信号的相位，得到所述原始信号和目标信号的相位差；根据所述相位差计算所述采样电容(C)的值。利用该技术方案可以精确地测量电容值。

Description

一种测量电容值的方法和设备

技术领域

本发明涉及编码器领域，特别是一种测量电容值的方法和设备。

背景技术

在电容性旋转编码器中，对采样电容的值进行测量，利用测量得到的电容值的可以计算编码器的角度。其中，采样电容包括：旋转极和静止极，旋转极的转动引起电容值的变化。在现有的测量电路中，采用包含采样电容的调制电路对电流进行调制，通过测量经调制的电流的值获取采样电容的值。

图1为现有的测量电容值的电路的结构示意图。图1包括：激励电路11、电流调制电路12、滤波放大电路13、电流测量电路14和电容值计算电路15。其中：该电流调制电路12包括：一个采样电容和一个电阻，该采样电容的一端与激励电路11相连，另一端与电阻相连，该电阻的一端与该采样电容相连，另一端接地。

该激励电路11，用于产生激励信号，并将该激励信号输出到该电流调制电路12的采样电容的输入端。

该电流调制电路12，用于利用该采样电容对该激励信号进行调制，并将经调制的激励信号输入到滤波放大电路13。

该滤波放大电路13，用于对该经调制的激励信号进行放大和滤波，并输出至电流测量电路14。

该电流测量电路14，用于测量经调制的激励信号的电流值，并将该电流值输出到电容值计算电路15。

该电容值计算电路15，用于根据经过调制的激励信号的电流值计算该采样电容的当前的电容值。

由上述电路结构可见，因为该采样电容是串联在该电路中的，所以该电路结构决定了采用的采样电容的值非常小，通常为皮可法拉级，进而导致该电路的电流值也非常小，通常为微安级。相应地，该电路的信噪比比较小，即相对于该电路的电流值来说，噪声信号的值比较大，噪声信号对电容值的测量影响比较大，因此采用该电路结构不能精确测量电容值。

此外，由上描述可知，采样电容包括一个旋转极和一个静止极，也就是说该采样电容的一个电极为连接发动机转子的旋转极，另外一个电极为静止极。因为该采样电容是串联在电路中的，所以要将该采样电容的旋转极与该激励电路11或滤波放大电路13相连。这种将采样电容的旋转极与其它电路相连的安装方式增加了安装难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测量电容值的方法和设备，用以精确地测量电容值。

本发明所提出的测量电容值的方法包括：

接收原始信号；

使用电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块对所述原始信号的相位进行调制，得到目标信号，其中，所述采样电容(C)的一端与所述电阻(R)相连，另一端接地；

比较所述原始信号和所述目标信号的相位，得到所述原始信号和目标信号的相位差；

根据所述相位差计算所述采样电容(C)的值。

较佳地，所述电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块为一阶RC网络。

较佳地，所述采样电容(C)的与所述电阻(R)相连的一端为静止极，所述接地的一端为旋转极。

较佳地，所述原始信号为正弦激励信号，所述原信号的频率等于所述目标信号的频率。

较佳地，该方法进一步包括：对所述原始信号和目标信号进行滤波和采样。

较佳地，根据所述相位差计算所述采样电容(C)的值包括：

根据所述相位差计算所述一阶RC网络的时间常数(T)，根据公式 计算所述采样电容的值。

本发明提供的测量电容值的设备包括：测量电路、相位检测电路和电容值计算电路；其中，

所述测量电路，用于接收原始信号，将所述原始信号分为两路，将其中一路原始信号输出到所述相位检测电路，利用电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块对另一路原始信号的相位进行调制，得到目标信号，并将所述目标信号输出到所述相位检测电路；其中，所述采样电容(C)的一端与电阻(R)相连，另一端接地；

所述相位检测电路，用于比较所述原始信号和目标信号的相位，得到所述原始信号和目标信号的相位差；

所述电容值计算电路，用于从所述相位检测电路获取所述相位差，根据所述相位差计算所述采样电容(C)的值。

较佳地，所述电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块为一阶RC网络。

较佳地，所述采样电容(C)的与所述电阻(R)相连的一端为静止极，所述接地的一端为旋转极。

较佳地，所述原始信号为正弦激励信号，所述原信号的频率等于所述目标信号的频率。

较佳地，该测量电路进一步包括：滤波和采样模块，用于对所述原始信号和目标信号进行滤波和采样，并将经滤波和采样处理的原始信号和目标信号输出到所述相位检测电路。

较佳地，所述电容值计算电路，进一步用于根据所述相位差计算所述一阶RC网络的时间常数(T)，根据公式 计算所述采样电容的值。

本发还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机程序代码，当一个计算机单元运行该计算机程序代码时，执行上述方法中的步骤。

本发明还提供一种可读电子存储介质，用于存储上述计算机程序代码。

从上述技术方案可以看出，使用电阻和采样电容组成的调制模块对原始信号的相位进行调制，得到目标信号，并比较原始信号和目标信号的相位差，利用该相位差求出该采样电容的值。该采样电容的一端与电阻相连，另一端接地，使用这种并联的方式将采样电容接入电路中。因为该采样电容是并联在电路中的，所以可以为原始信号设置一个较大的幅值，相应地，得到的目标信号的幅值也比较大，远大于噪声信号的幅值，最后得到的信噪比比较大，利用该方案可以较为精确地测量电容值。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为现有的测量电容值的电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中测量电容值的设备的结构示意图；

图3为本发明实施例中测量电路的结构示意图；

图4为本发明实施例中测量电容值的方法的流程示意图；

图5为相位频率特性的示意图；

图6为旋转一周产生一个正弦曲线的采样电容的样式的示意图。

图中：

11-激励电路 12-电流调制电路 13-滤波放大电路 14-电流测量电路 15-电容值计算电路

21-测量电路 22-相位检测电路 23-电容值计算电路

311-调制模块 312-滤波和采样模块

401-接收原始信号 402-使用电阻和采样电容组成的调制模块对原始信号的相位进行调制，得到目标信号 403-比较原始信号和目标信号的相位，得到原始信号和目标信号的相位差 404-根据原始信号和目标信号的相位差计算该采样电容的值

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图2为本发明实施例中测量电容值的设备的结构示意图。如图2所示，该设备包括：

测量电路21、相位检测电路22和电容值计算电路23。

该测量电路21，用于接收原始信号，将该原始信号分为两路，将其中一路输出到相位检测电路22，利用电阻和采样电容组成的调制模块对另一路原始信号的相位进行调制，得到目标信号，并将该目标信号输出到该相位检测电路22。该采样电容(C)的一端与电阻(R)相连，另一端接地。

该相位检测电路22，用于比较原始信号和目标信号的相位，得到原始信号和目标信号的相位差。

该电容值计算电路23，用于从该相位检测电路22获取原始信号和目标信号的相位差，根据该相位差计算该采样电容的值。

在图2所示的设备中，使用电阻和采样电容组成的调制模块对原始信号的相位进行调制，得到目标信号，并比较原始信号和目标信号的相位差，利用该相位差计算该采样电容的值。这样，经过该调制模块处理得到的目标信号和原始信号相比，两者频率相等，幅值基本相同(由于低通特性的影响稍有减少)，相位不同，所以可以利用两者的相位差可以计算得出该采样电容的电容值。在该设备中，采样电容的一端与电阻相连，另一端接地，使用这种并联的方式将采样电容接入电路中。在上述设备中，可以为原始信号设置一个较大的幅值，例如，5伏特或更大。经过相位调制得到的目标信号的幅值相对于原始信号的幅值虽然稍有减少，幅值最小减小为原来的0.45倍，但仍然处于伏特级的幅值范围，远大于噪声信号的幅值。所以，最后得到的信噪比比较大，电容值的测量受到的噪声干扰相对较小，利用该设备可以较为精确地测量电容值。

在具体应用中，该原始信号为利用数/模(D/A)转换等技术产生的正弦激励信号。在电平允许的前提下，可以设置较大的幅值，例如，5伏特或更大，这样有助于生成具有较大幅值的目标信号，提高信噪比，增加电容值测量的精度。

此外，采样电容和电阻组成一阶RC网络，该一阶RC网络的时间常数为T。电容值计算电路23，根据原始信号和目标信号的相位差计算该一阶RC网络的时间常数T，根据公式 计算采样电容的值。

在实际应用中，该测量电路21进一步包括滤波和采样模块。图3为本发明实施例中测量电路的结构示意图。如图3所示，该测量电路包括：调制模块311和滤波和采样模块312。

该调制模块311利用采样电容和电阻组成的一阶RC网络对原始信号进行相位调制，得到目标信号，并将该目标信号输出到该滤波和采用模块312。

该滤波和采样模块312，用于对该原始信号和目标信号进行滤波和采样。

在该调制模块311中，该采样电容的一端与电阻和滤波和采样模块312相连，另外一端接地。与该电阻相连的一端为静止极，接地的一端为旋转极。在本实施例中，采用并联的方式将该采样电容的旋转极接地，与现有技术中采用的串联连接方式相比，即将旋转极接入电流调制模块的方式，采用本发明这种将旋转极接地的连接方式可以大大降低安装的难度。此外，因为上述相位调制并未改变原始信号的频率，目标信号和原始信号采用相同的频率，与采样电容的旋转极的转速无关，所以滤波和采样模块312可以只针对一个频率，即该目标信号和原始信号的频滤波做检出处理以达到滤波的目的，该滤波和采样模块312的设计较为简单。

通过以上实施例对如何测量电容值的设备进行了描述，下面通过具体的实施例描述测量电容值的方法。

图4为本发明实施例中测量电容值的方法的流程示意图。如图4所示本方法包括如下步骤：

步骤401：接收原始信号。

在本步骤中，原始信号可以为利用数/模(D/A)转换等技术产生的正弦激励信号。原始信号的频率是由采样电容的中间值和电阻决定的，采样电容的样式决定采样电容的中间值。

步骤402：使用电阻和采样电容组成的调制模块对原始信号的相位进行调制，得到目标信号。

在本步骤中，采样电容和电阻组成的调制模块为一阶RC网络。在该一阶RC网络中，该采样电容的静止极与该电阻相连，旋转极接地。对原始信号的相位进行调制得到目标信号，得到的目标信号的频率与原始信号的频率相等。

该一阶RC网络的传递函数为 其中，T＝R*C。R为电阻，C为采样电容，T为一阶RC网络的时间常数。

步骤403：比较原始信号和目标信号的相位，得到原始信号和目标信号的相位差。假如得到的原始信号和目标信号的相位差，即相移角为 ω是原始信号的角速度。

步骤404：根据原始信号和目标信号的相位差计算该采样电容的值。

假如产生 所需的时延，即相移延时为t， 其中，f是原始信号的频率。由公式： 可得 故根据公式可求得电容值为 $C=-\frac{1}{R\·\mathrm{\ω}}\·\mathrm{tg}(t\·f\·360).$

在步骤403之前还可以进一步包括：对原始信号和目标信号进行滤波和采样的操作，以去除噪声信号。在步骤403中，比较经滤波和采样处理的原始信号和目标信号的相位，得到两者的相位差。

在实际应用中，发电机的转子的旋转带动采样电容旋转极的旋转，导致构成采样电容的面积发生变化，进而导致电容值的变化。在本发明实施例中，利用电容值变化的采样电容对原始信号进行相位调制产生相位差，利用检测出的相位差反推得出电容值。可以进一步根据计算得出的电容值求出转子的转速以及求出编码器的旋转角。

当连接采样电容旋转极的发动机的转子旋转时，构成采样电容的面积发生改变，导致电容值的改变，一阶RC网络的时间常数T＝R*C相应地发生改变，最终使原始信号发生相移，得到原始信号和目标信号的相位差。下面以具体的实施例描述如何确定相位差的敏感区域。

相位频率响应的方程为： 表示一阶RC网络对原始信号进行相位调制产生的移相角，即，相位差。ω是原始信号的角速度，ω＝2*π*f，f是目标信号的频率， 图5为相位频率特性的示意图。在图5中，横坐标为ω，纵坐标为 从图5可以看出， 随着ω的变化而发生变化，当ω＜0.1和ω＞10时 分别趋于稳定值0°和90°。经过测算，发现在0.5＜ω＜2的区间内，随着ω的变化发生较大变化，0.5＜ω＜2属于相位差的敏感区域。

例如，在转子带动采样电容的旋转极转过采样电容的圆盘的一半的面积时，T将变为原来的一半，得到的移相角为 当转子带动采样电容的旋转极绕采样电容的圆盘转两圈时，得到的移相角为负号表示时延。所以，从绕采样电容的圆盘旋转半周到绕采样电容的圆盘旋转两周产生的相位差为63.43°-26.56°＝36.87°。在实际操作中，以原始信号的频率为500Hz为例，产生36.87°的相位差所需的时延为200nS，目前的技术能检测0.1nS的时延下电路产生的相位差。

上述构成采样电容的圆盘的面积发生4倍的改变，最后产生36.87°的相位差。采样电容的样式决定了编码器的旋转角如何影响构成采样电容的面积。正弦样式是比较常用的模型。以一周一个正弦曲线循环为例，在发动机转子带动旋转极绕采样电容旋转一周时，构成电容的面积将从圆盘一半的面积变为两倍的面积。如果选择一周两个正弦曲线循环，当发动机转子带动旋转极绕采样电容旋转一周将产生两个正弦曲线循环，与一周一个正弦曲线循环相比，分辨率将增加为原来的二倍。图6为旋转一周产生一个正弦曲线的采样电容的样式的示意图。左边一幅图表示构成采样电容的面积占到圆盘面积的一半。在图6中，r表示极坐标正弦曲线的直流分量，r’表示采样电容圆盘的内径，R表示极坐标正弦波曲线值，θ表示极坐标的角度变量。当极坐标的角度变量θ从0变到π，产生的构成采样电容的面积为：

$S_0=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{1}{2}\{{(r+\sin \mathrm{\θ})}^2-r^{\′2}\}\mathrm{d\θ}=\frac{1}{2}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}(r^2-r^{\′2}+2r\sin \mathrm{\θ}+{\sin \mathrm{\θ}}^2)\mathrm{d\θ}=\frac{1}{2}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}(r^2-r^{\′2})\mathrm{d\θ}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}r\sin \mathrm{\θd\θ}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{1-\cos 2\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{d\θ}$

$=\frac{r2-r^{\′}2}{2}*\mathrm{\θ}{|}_0^{\mathrm{\π}}-r\cos \mathrm{\θ}{|}_0^{\mathrm{\π}}+\frac{1}{2}*\mathrm{\θ}{|}_0^{\mathrm{\π}}-\frac{1}{4}\sin 2\mathrm{\θ}{|}_0^{\mathrm{\π}}$

当转子带动采样电容的旋转极转过角度β，即使采样电容的两个极板之间形成夹角β，极坐标的角度变量θ从β变为π+β，此时构成采样电容的面积为：

$S_{\mathrm{\β}}=\frac{r^2-r^{\′2}}{2}*\mathrm{\θ}{|}_{0+\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}+\mathrm{\β}}-r\cos \mathrm{\θ}{|}_{0+\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}+\mathrm{\β}}+\frac{1}{2}*{\mathrm{\θ}|}_{0+\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}+\mathrm{\β}}-\frac{1}{4}\sin 2\mathrm{\θ}{|}_{0+\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}+\mathrm{\β}}=\frac{\mathrm{\π}*(r^2-r^{\′2})}{2}+2*r\cos \mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-0=A+2*r\cos \mathrm{\β}$

A表示在转子带动采样电容的旋转极在旋转的过程中，不变的面积值。在本发明实施例中，通过测量采样电容的值可以计算构成采样电容的面积的值，进而计算编码器的旋转角。

如上所示，采用的采样电容的样式为旋转一周产生一个正弦曲线，如果采用这种样式得到的分辨率较低的话，可以采用旋转一周产生多个正弦曲线的样式。当然，采样电容也可以采用其他的与本发明技术方案兼容的样式。

至此，完成了对本发明实施例中测量电容值的方法的描述。

本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如本文所述的测量电容值的方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。

在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。

用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。

此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。

上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量电容值的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

接收原始信号(401)；

使用电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块对所述原始信号的相位进行调制，得到目标信号，其中，所述采样电容(C)的一端与所述电阻(R)相连，另一端接地(402)，以及其中所述采样电容(C)的与所述电阻(R)相连的一端为一电容性旋转编码器的静止极，所述接地的一端为所述电容性旋转编码器的旋转极；

比较所述原始信号和所述目标信号的相位，得到所述原始信号和目标信号的相位差(403)；根据所述相位差，利用计算所述采样电容(C)的值(404)，其中C为所述采样电容的值，R为电阻值，ω为所述原始信号的角速度，t为产生所述相位差所需的时延，f为所述原始信号的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块为一阶RC网络。

3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述原始信号为正弦激励信号，所述原始信号的频率等于所述目标信号的频率。

4.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：对所述原始信号和目标信号进行滤波和采样。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述相位差计算所述采样电容(C)的值(404)包括：

根据所述相位差计算所述一阶RC网络的时间常数(T)，根据公式计算所述采样电容的值。

6.一种测量电容值的设备，其特征在于，该设备包括：测量电路(21)、相位检测电路(22)和电容值计算电路(23)；其中，

所述测量电路(21)，用于接收原始信号，将所述原始信号分为两路，将其中一路原始信号输出到所述相位检测电路(22)，利用电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块(311)对另一路原始信号的相位进行调制，得到目标信号，并将所述目标信号输出到所述相位检测电路(22)；其中，所述采样电容(C)的一端与所述电阻(R)相连，另一端接地，以及其中所述采样电容(C)的与所述电阻(R)相连的一端为一电容性旋转编码器的静止极，所述接地的一端为所述电容性旋转编码器的旋转极；

所述相位检测电路(22)，用于比较所述原始信号和目标信号的相位，得到所述原始信号和目标信号的相位差；

所述电容值计算电路(23)，用于从所述相位检测电路(22)获取所述相位差，根据所述相位差，利用计算所述采样电容(C)的值，其中C为所述采样电容的值，R为电阻值，ω为所述原始信号的角速度，t为产生所述相位差所需的时延，f为所述原始信号的频率。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述电阻(R)和采样电容(C)组成的调制模块(311)为一阶RC网络。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述原始信号为正弦激励信号，所述原始信号的频率等于所述目标信号的频率。

9.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述测量电路(21)进一步包括：

滤波和采样模块(312)，用于对所述原始信号和目标信号进行滤波和采样，并将经滤波和采样处理的原始信号和目标信号输出到所述相位检测电路(22)。

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电容值计算电路(23)，进一步用于根据所述相位差计算所述一阶RC网络的时间常数(T)，根据公式计算所述采样电容的值。