CN103412194B - 一种电容值测算电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电容测量领域,更具体地,涉及一种电容值测算电路。其包括分别与供电电源连接的低漂移输入放大电路、多谐振荡器、大电流输出级、被测电容和频率检测器,被测电容与多谐振荡器并联,低漂移输入放大电路的第一接口端通过电阻组件接地,第二接口端接模拟输入电压,低漂移输入放大电路将模拟输入电压转换成驱动电流输出至多谐振荡器,多谐振荡器输出方波信号至大电流输出级,大电流输出级与频率检测器连接。本发明的电路为纯硬件电路,电路结构简单,成本低廉,只需结合常用的频率检测器即可测算出电容值,不但可操作性强,易于实现,而且测量精度高,范围宽。

Description

-种电容值测算电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电容测量领域,更具体地,涉及一种电容值测算电路。
背景技术
[0002] 电容是电子设备中大量使用的最基本的电子元件之一,电容测量方法在当今电子 产品的制造和维修中有着广泛的应用和重要的现实意义。目前测量电容值的常用方法是: 1.利用多谐振荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号,通过低通滤波器后测量输出电压实 现;2.利用单稳态触发装置产生与电容值成正比的脉冲来控制通过计数器的标准计数脉 冲的通断,即直接根据充放电时间判断电容值。虽然上述第1种测量方法的硬件设计比较 简单,但其软件实现比较复杂;第2种方法虽然由纯硬件实现,但是硬件电路非常复杂。
发明内容
[0003] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足),提供一种硬件电路简 单,可操作性强的电容值测算电路。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
[0005] -种电容值测算电路,包括分别与供电电源连接的低漂移输入放大电路、多谐振 荡器、大电流输出级、被测电容和频率检测器,被测电容与多谐振荡器并联,低漂移输入放 大电路的第一接口端通过电阻组件接地,第二接口端接模拟输入电压,低漂移输入放大电 路将模拟输入电压转换成驱动电流输出至多谐振荡器,多谐振荡器输出方波信号至大电流 输出级,大电流输出级与频率检测器连接。
[0006] 与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
[0007] 本发明将已知的模拟输入电压由低漂移输入放大电路输入,由低漂移输入放大电 路组成的输入级把模拟输入电压转换成一个驱动电流,该驱动电流同时向被测电容充电, 从而激发多谐振荡器产生自激振荡,多谐振荡器的振荡频率与驱动电流成正比。多谐振荡 器输出方波信号驱动大电流输出级,然后利用频率检测器检测大电流输出级中输出的信号 频率,从而根据信号频率、模拟输入电压和电阻组件计算得到被测电容的电容值。本发明的 电路为纯硬件电路,电路结构简单,成本低廉,只需结合常用的频率检测器即可测算出电容 值,不但可操作性强,易于实现,而且测量精度高,范围宽。
附图说明
[0008] 图1为本发明一种电容值测算电路具体实施例的电路架构图。
[0009] 图2为本发明一种电容值测算电路的具体电路图。
[0010] 图3为利用电压频率转换芯片AD654实现本发明电容值测算电路的实际电路图。
具体实施方式
[0011] 附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
[0012] 为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品 的尺寸;
[0013] 对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解 的。
[0014] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能 理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此,限定的"第一"、"第 二"的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说 明,"多个"的含义是两个或两个以上。
[0015] 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语"连接"应 做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连 接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以是通过中间媒介间接连接,可以说两个元件 内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明的具 体含义。
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0017] 实施例1
[0018] 如图1所示,为本发明一种电容值测算电路具体实施例的电路架构图。参见图1, 本具体实施例的一种电容值测算电路包括:
[0019] 分别与供电电源Vs连接的低漂移输入放大电路1、多谐振荡器2、大电流输出级3、 被测电容Ct和频率检测器4,被测电容Ct与多谐振荡器2并联,低漂移输入放大电路1的 第一接口端通过电阻组件Rt接地,第二接口端接模拟输入电压Vin,低漂移输入放大电路1 将模拟输入电压Vin转换成驱动电流It输出至多谐振荡器2,多谐振荡器2输出方波信号 至大电流输出级3,大电流输出级3与频率检测器4连接。
[0020] 本发明将已知的模拟输入电压Vin由低漂移输入放大电路1输入,低漂移输入放 大电路1的第一接口端通过电阻组件Rt接地来设置驱动电流,从而由低漂移输入放大电路 1组成的输入级把模拟输入电压Vin转换成一个驱动电流It,该驱动电流It同时向被测电 容Ct充电,从而激发多谐振荡器2产生自激振荡,多谐振荡器2的振荡频率与驱动电流It 成正比。多谐振荡器2输出方波信号驱动大电流输出级3,然后利用频率检测器4检测大电 流输出级3中输出的信号频率fout,从而根据信号频率fout、模拟输入电压Vin和电阻组 件Rt计算得到被测电容Ct的电容值。
[0021] 如图2所示,为本发明一种电容值测算电路的具体电路图。参见图2,本发明中的 低漂移输入放大电路包括放大器A、跟随器,放大器A的同相端作为低漂移输入放大电路的 第二接口端接模拟输入电压Vin,其反相端作为低漂移输入放大电路的第一接口端,通过电 阻组件Rt接地;放大器A的输出端连接跟随器的输入端,跟随器的输出端连接多谐振荡器 0SC。优选地,如图2所示,跟随器包括NPN三极管VI,NPN三极管Vl的基极连接放大器A 的输出端,其发射极通过电阻组件Rt接地,其集电极连接多谐振荡器0SC。本发明利用放大 器和NPN管跟随器组成输入级,利用该输入级可以将模拟输入电压Vin转换成一个驱动电 流It :
[0022] It=Vin/Rt
[0023] 在具体实施过程中,如图2所示,大电流输出级包括NPN功率晶体管V2, NPN功率 晶体管V2的基极连接多谐振荡器OSC的输出端,其发射极接地,其集电极作为输出端fout, 连接频率检测器。优选地,NPN功率晶体管V2的集电极还外接一上拉电阻Rpu。
[0024] 在具体实施过程中,频率检测器包括与大电流输出级连接的示波器。具体地如图 2所示,示波器与NPN功率晶体管V2的集电极连接。
[0025] 在具体实施过程中,电阻组件Rt可以采用定值电阻也可以采用定值电阻和可变 电阻构成。当采用定值电阻时,定值电阻一端连接低漂移输入放大电路的第一接口端,另一 端接地。当采用定值电阻和可变电阻构成时,电阻组件Rt包括定值电阻和可变电阻,定值 电阻一端连接低漂移输入放大电路的第一接口端,其另一端串联连接可变电阻的一端,可 变电阻的另一端接地,具体地如图2所示,电阻组件Rt包括电阻Rl和电阻R2,电阻Rl -端 连接放大器A的反相端以及连接NPN三极管Vl的发射极,电阻Rl的另一端串联连接电阻 R2的一端,电阻R2的另一端接地。
[0026] 利用本发明的电容值测算电路,待测电容Ct的具体测算方式如下:
[0027] 频率检测器检测大电流输出级输出端的信号频率fout ;
[0028] 根据电路可以知道,
Figure CN103412194BD00051
[0029] 根据上述公式,可以得到
Figure CN103412194BD00052
[0030] 公式中的IOV是模拟输入电压Vin满度输入为10V。如图2所示,模拟输入电压 Vin从放大器A同相端输入,其反相端通过电阻组件Rt接地来设置驱动电流,图2所示的 电路达到最佳性能的时候为1mA,如模拟输入电压Vin为5V,为了达到最佳性能,则需取图 2中的电阻组件Rt=Rl+R2=5K,才使得驱动电流It为1mA。
[0031] 本实施例中的低漂移输入放大电路1、多谐振荡器2、大电流输出级3可以集成芯 片实现,如可以采用电压频率转换芯片AD654。如图2所示,虚线框内的部分电路可以采用 电压频率转换芯片AD654实现,其①~⑧端分别表示电压频率转换芯片AD654的8个脚,如 图3所示,为利用电压频率转换芯片AD654实现本发明一种电容值测算电路的实际电路图。
[0032] 如图3所示,用一个电压频率转换(V/F)芯片AD654和RC网络组成一个简单的V/ F转换电路。AD654是美国模拟器件公司生产的一种低成本、8脚封装的电压频率(V/F)转 换器。它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成,使用简单且工作电压范 围很宽。其输出为频率受控于输入电压的方波。根据图3所示,Vs为AD654的单电源供电 电压,AD654的1脚作为信号输出端输出信号频率,其该脚还外接上拉电阻Rpu,其2脚直接 接地,其3脚通过电阻Rt连接地,用来设置驱动电流,其4脚作为模拟输入电压Vin的输入 接口,通过可变电阻RS和定值电阻R2连接Vs,其5脚连接-Vs,其6脚和7脚并联被测电 容Ct,其8脚连接Vs以及通过电阻Cl接地。
[0033] 根据图3所述的电路图,给定模拟输入电压Vin(其范围为0~VS-4V,VS为AD654 单电源供电电压),Vin可通过电阻R2和可变电阻RS分压得到,把被测电容设置为Ct。电路 上电后,调节可变电阻RS,确保输入电压不超过(VS-4) V的范围,并可知
Figure CN103412194BD00061
,及及'为可调电阻RS与地连接的阻值,然后使用示波器测量出V/F转换电路端的输出频率 fouto
[0034] 根据AD654芯片规格书上可以获取如下的计算公式(1):
Figure CN103412194BD00062
[0038] 经初等变换后得公式(2),把已知的Vin、Rt、fout代入公式后便可求出Ct的电 容值。
[0039] 为了使该测量电路能在整个温度范围内稳定工作,并保持较好的线性度,AD654上 的外接元件必须采用低温度系数元件和低电解介质吸收电容。
[0040] 相同或相似的标号对应相同或相似的部件;
[0041] 附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
[0042] 显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种电容值测算电路,其特征在于,包括分别与供电电源连接的低漂移输入放大电 路、多谐振荡器、大电流输出级、被测电容和频率检测器,被测电容与多谐振荡器并联,低漂 移输入放大电路的第一接口端通过电阻组件接地,第二接口端接模拟输入电压,低漂移输 入放大电路将模拟输入电压转换成驱动电流输出至多谐振荡器,多谐振荡器输出方波信号 至大电流输出级,大电流输出级与频率检测器连接; 所述低漂移输入放大电路包括放大器、跟随器,放大器的同相端作为低漂移输入放大 电路的第二接口端接模拟输入电压,其反相端作为低漂移输入放大电路的第一接口端通过 电阻组件接地;放大器的输出端连接跟随器的输入端,跟随器的输出端连接多谐振荡器。
2. 根据权利要求1所述的电容值测算电路,其特征在于,所述跟随器包括NPN三极管, NPN三极管的基极连接放大器的输出端,其发射极通过电阻组件接地,其集电极连接多谐振 荡器。
3. 根据权利要求1所述的电容值测算电路,其特征在于,所述大电流输出级包括NPN功 率晶体管,NPN功率晶体管的基极连接多谐振荡器的输出端,其发射极接地,其集电极连接 频率检测器。
4. 根据权利要求3所述的电容值测算电路,其特征在于,所述NPN功率晶体管的集电极 还外接一上拉电阻。
5. 根据权利要求1所述的电容值测算电路,其特征在于,所述频率检测器包括与大电 流输出级连接的示波器。
6. 根据权利要求1至5任一项所述的电容值测算电路,其特征在于,所述电阻组件包括 定值电阻和可变电阻,定值电阻一端连接低漂移输入放大电路的第一接口端,其另一端串 联连接可变电阻的一端,可变电阻的另一端接地。
7. 根据权利要求1至5任一项所述的电容值测算电路,其特征在于,所述电阻组件包括 定值电阻,定值电阻一端连接低漂移输入放大电路的第一接口端,另一端接地。
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