CN103499743B - 一种高精度测量电阻电容的系统及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度测量电阻电容的系统，该系统包括：输入方波信号发生单元，电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元，脉宽信号计时单元。本发明通过对RC充放电时间的测量，达到对R、C测量的目的，并在RC充放电电路的基础上增加了二次充放电电路与逻辑处理，加快了输出信号的上升与下降速度，提高了单次测量速度。本发明的脉冲计数的时钟频率高，实现时间分辨率达ns级的测量，将FPGA时钟频率倍频到200M，其时间分辨率为5ns，在测量电阻时通过选择较大的电容，可以提高脉冲计数值与电阻R的比例系数；或测量电容时选择较大电阻，提高脉冲计数值与电容C的比例系数；从而提高测量精度与分辨率。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件测量技术领域，尤其涉及一种高精度测量电阻电容的系统及电路。
背景技术
随着电子工业的发展，电阻电容元器件应用急剧增加，应用范围也越来越广。在很多应用场合要测试其参数。
目前测量电阻的方法主要有电桥法，其基本思路是将电阻值转换成电压值或者频率值。只要AD转换器对被测电阻两端的电压进行测量，再经过相应的运算即可。这种测量方法结构简单，但是受到AD转换器输入电压、转换精度以及输出频率范围的影响，这种方法测量范围小，精度低。当电压放大倍数较大时，因偏置电流的不平衡而引起的失调电压误差大，同时放大倍数增加，降低了测量范围；采用纯模拟电路法测量电阻电容，可以避免编程的麻烦，但是电路复杂、灵活性差、测量精度低。
采用PLC(可编程逻辑控制)法设计的电阻电容测量方法速度快、体积小、可靠性和精度好，但是价格昂贵。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种高精度测量电阻电容的系统及电路，旨在解决现有的电路复杂、灵活性差、测量精度低、价格昂贵的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种高精度测量电阻电容的系统，该高精度测量电阻电容的系统包括：输入方波信号发生单元，电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元、脉宽信号计时单元。
用于产生初始输入信号，通过电平转换电路单元作用于电阻电容测量电路的输入方波信号发生单元；
与输入方波信号发生单元连接，用于不同工作电源的数字电路之间电平匹配的电平转换电路单元，
与逻辑处理单元连接，用于对电阻电容测量电路中间电位进行加速充电的二次充电电路单元；
与逻辑处理单元连接，用于电阻电容测量电路中间电位加速放电的二次放电电路单元；
与电阻电容测量电路中间电位、比较电压和输入方波信号发生单元连接，用于对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，转换成输出方波信号的比较电路单元；
与输入方波信号发生单元和比较电路单元连接，用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理和充放电逻辑控制的逻辑处理单元；
与逻辑处理单元连接，用于对占空比正比于充放电时间的脉宽信号进行计时的脉宽信号计时单元。
进一步，输入方波信号发生单元，由FPGA晶振的时钟信号经过软件上计数分频得到。
进一步，逻辑处理单元还包括：充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，充电逻辑处理单元和放电逻辑处理单元；
用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理，得到占空比正比于充放电时间的脉宽信号的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元；
与电平转换电路单元连接，通过电平转换电路单元连接二次充电电路单元，用于完成对二次充电电路单元的充电逻辑控制的充电逻辑处理单元；
与二次放电电路单元连接，用于完成对二次放电电路单元的放电逻辑控制的放电逻辑处理单元。
进一步，电平转换电路单元其中一组通过R2，R3以及Q1组成的电平转换电路，初始输入信号由FPGA输出，幅值为3.3V，将初始输入信号转换成频率保持不变，幅值增加到5V的输入方波信号，另外一组通过R1、R11和Q4组成的电平转换电路将U4的输出幅值转换成5V，充分保证Q2工作在截止状态。
进一步，二次充放电电路单元，通过R7、R8和Q2组成的充电电路以及R9、R10和Q3组成的放电路对电阻电容测量电路的中间电位进行加速充电和放电，加快了输出信号的上升与下降速度，为下次测量准备了初始条件，提高了测量速度。
进一步，比较电路单元，通过型号为LM393的比较器U2，R4，R5和R6组成的比较电路对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，选择的2.5V作为比较电压值转换成输出方波信号，使得比较电压直流漂移带来的测量误差减小到最小。
进一步，逻辑处理单元由异或门U3构成的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，非门U1和与门U4构成的充电逻辑处理单元和或非门U5构成的放电逻辑处理单元组成，对输入方波信号发生单元的输出信号和比较电路单元的输出信号进行处理，在FPGA内部完成，提高系统的集成度，同一性。
进一步，脉宽信号计时单元利用初始输入信号与输出方波信号周期相同，以此信号分频产生另一方波信号，周期是初始输入信号周期的两倍，分频后的方波信号高电平期间，充放电脉宽信号包含一个充电脉宽信号与一个放电脉宽信号，期间对充放电脉宽信号进行脉宽信号计时，得到正比于RC的充放电时间，提高了计时测量的稳定性与准确性。
本发明提供的高精度测量电阻电容的系统及电路，通过RC时间常数来测量，采用上升半电压的方式，使充放电时间与输入电压没有关系。在RC充放电电路的基础上又增加了二次充放电电路与逻辑处理，加快了输出信号的上升与下降速度，为下次测量准备了初始条件，提高了测量速度。本发明的脉冲计数的时钟频率高，实现时间分辨率达ns级的测量，将FPGA时钟频率倍频到200M，其时间分辨率为5ns，而且在测量电阻时可以选择较大的电容，扩大了脉冲计数值与RC的比例系数，从而提高测量精度与分辨率。此外，本发明可实现多路测量，多路测量可以共用信号源及与信号相关的逻辑信号，而且同一电路对电阻电容可以分别进行测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高精度测量电阻电容的系统及电路的结构示意图；
图中：1、电平转换电路单元；2、二次充电电路单元；3、逻辑处理单元；3-1、充放电时间脉宽信号逻辑处理单元；3-2、放电逻辑处理单元；3-3、充电逻辑处理单元；4、比较电路单元；5、二次放电电路单元；6、输入方波信号发生单元；
图2是本发明实施例提供的测量流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明提供的高精度测量电阻电容的系统及电路结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。
本发明实施例的高精度测量电阻电容的系统，该高精度测量电阻电容的系统包括：输入方波信号发生单元，电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元、脉宽信号计时单元。
用于产生初始输入信号，通过电平转换电路单元作用于电阻电容测量电路的输入方波信号发生单元；
与输入方波信号发生单元连接，用于不同工作电源的数字电路之间电平匹配的电平转换电路单元，
与逻辑处理单元连接，用于对电阻电容测量电路中间电位进行加速充电的二次充电电路单元；
与逻辑处理单元连接，用于电阻电容测量电路中间电位加速放电的二次放电电路单元；
与电阻电容测量电路中间电位、比较电压和输入方波信号发生单元连接，用于对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，转换成输出方波信号的比较电路单元；
与输入方波信号发生单元和比较电路单元连接，用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理和充放电逻辑控制的逻辑处理单元；
与逻辑处理单元连接，用于对占空比正比于充放电时间的脉宽信号进行计时的脉宽信号计时单元。
作为本发明实施例的一优化方案，输入方波信号发生单元，由FPGA晶振的时钟信号经过软件上计数分频得到。
作为本发明实施例的一优化方案，逻辑处理单元还包括：充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，充电逻辑处理单元和放电逻辑处理单元；
用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理，得到占空比正比于充放电时间的脉宽信号的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元；
与电平转换电路单元连接，通过电平转换电路单元连接二次充电电路单元，用于完成对二次充电电路单元的充电逻辑控制的充电逻辑处理单元；
与二次放电电路单元连接，用于完成对二次放电电路单元的放电逻辑控制的放电逻辑处理单元。
作为本发明实施例的一优化方案，电平转换电路单元其中一组通过R2，R3以及Q1组成的电平转换电路，初始输入信号有FPGA输出，幅值为3.3V，将初始输入信号转换成频率保持不变，幅值增加到5V的输入方波信号，另外一组通过R1、R11和Q4组成的电平转换电路将U4的输出幅值转换成5V，充分保证Q2工作在截止状态。
作为本发明实施例的一优化方案，二次充放电电路单元，通过R7、R8和Q2组成的充电电路以及R9、R10和Q3组成的放电路对电阻电容测量电路的中间电位进行加速充电和放电，加快了输出信号的上升与下降速度，为下次测量准备了初始条件，提高了测量速度。
作为本发明实施例的一优化方案，比较电路单元，通过型号为LM393的比较器U2，R4，R5和R6组成的比较电路对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，选择的2.5V作为比较电压值转换成输出方波信号，使得比较电压直流漂移带来的测量误差减小到最小。
作为本发明实施例的一优化方案，逻辑处理单元由异或门U3构成的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，非门U1和与门U4构成的充电逻辑处理单元和或非门U5构成的放电逻辑处理单元组成，对输入方波信号发生单元的输出信号和比较电路单元的输出信号进行处理，在FPGA内部完成，提高系统的集成度，同一性。
作为本发明实施例的一优化方案，脉宽信号计时单元利用初始输入信号与输出方波信号周期相同，以此信号分频产生另一方波信号，周期是初始输入信号周期的两倍，分频后的方波信号高电平期间，充放电脉宽信号包含一个充电脉宽信号与一个放电脉宽信号，期间对充放电脉宽信号进行脉宽信号计时，得到正比于RC的充放电时间，提高了计时测量的稳定性与准确性。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
结合图1和图2对本发明做进一步的说明，本发明实施例的高精度测量电阻电容的系统主要由电平转换电路单元1、二次充电电路单元2、逻辑处理单元3、比较电路单元4、二次放电电路单元5、输入方波信号发生单元6；
电平转换电路单元1，连接逻辑处理单元3和输入方波信号发生单元6，用于不同工作电源的数字电路之间电平匹配的作用；
二次充电电路单元2，通过电平转换电路单元1连接逻辑处理单元3，用于充电，为一种高精度电阻电容测量电路中间电位充电；
逻辑处理单元3，在FPGA内部完成，三个单元连接输入方波信号发生单元和比较电路单元的输出信号，对初始输入信号与比较电路单元的输出方波信号进行脉宽信号(代表充放电时间)测量以及对充放电电路单元进行充放电逻辑控制。
比较电路单元4，连接电阻电容测量电路中间电位和比较电压，用于对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，将其转换成输出方波信号；
二次放电电路单元5，连接逻辑处理单元3，用于对一种高精度电阻电容测量电路中间电位加速放电；
电平转换电路单元1，通过R2，R3以及Q1组成电平转换电路，由于初始输入信号的幅值即为3.3V，所以将初始输入信号转换成频率保持不变，幅值增加到5V的输入方波信号，提高了电路的驱动能力，也不影响测量结果；R1、R11和Q4组成的电平转换电路将U4的输出幅值转换成5V，充分保证Q2工作在截止状态。
比较电路单元4，通过型号为LM393的比较器U2，R4，R5和R6组成的比较电路对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，将选择的2.5V作为比较电压值转换成输出方波信号，使得比较电压直流漂移带来的测量误差减小到最小；
逻辑处理单元3，由充放电时间脉宽信号逻辑处理单元异或门U3，充电逻辑处理单元非门U1，与门U4和放电逻辑处理单元或非门U5组成，对信号的处理过程全部在FPGA内部完成，使系统集成化，小型化。
本发明的测量电路的初始输入信号V1是频率为6103Hz，幅值为3.3V的方波信号，该信号直接由FPGA内部50MHz的时钟信号通进行8192分频得到，本系统采用的FPGA型号为EP2C8Q208C8。由于FPGA输出引脚电平为3.3V，所以初始输入信号的幅值即为3.3V，通过R2，R3以及Q1组成的电平转换电路单元1，将初始输入信号转换成频率保持不变，幅值增加到5V的输入方波信号，提高电路的驱动能力，此信号与初始输入信号反相，但不影响测量结果，然后将输入方波信号加载在由被测电阻Rx与C1组成的电阻电容测量电路中，由型号为LM393的比较器U2，R4，R5和R6组成的比较电路单元4对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，将其转换成输出方波信号，本发明选择2.5V作为比较电压值，将因比较电压直流漂移带来的测量误差减小到最小，非门U1、异或门U3、与门U4以及或非门U5组成逻辑处理单元3，对电路进行逻辑处理，处理过程由FPGA完成，由于U4的输出是由FPGA引脚输出，其高电平电压为3.3V，不能保证Q2工作在截止状态，因此，利用R1、R11和Q4组成的电平转换电路将其幅值转换成5V，当初始输入信号与输出方波信号同为高电平时，充分保证Q2工作在截止状态。此时电阻电容测量电路中间端输出信号已上升到超过2.5V位置，Q2、R7与R8组成充电电路单元2对其进行二次充电，加快上升速度，同理，当初始输入信号与输出方波信号同时为低电平时，Q3工作在导通状态，此时电阻电容测量电路中间端输出信号已下降到低于2.5V位置，Q3、R9与R10组成放电电路单元5对其进行二次放电，加快下降速度。二次充放电电路很大程度上提高了测量速度与测量灵敏度，对于10k的电阻，测量速度达到5000hz全程范围内，测量分辨率为0.5Ω，降低测量速度，分辨率还可以进一步提高，例如500hz，则测量分辨率为0.05Ω。对于10nF的电容，测量速度达到5000hz全程范围内，测量分辨率为0.5pF，将经过上述测量电路处理的初始信号与比较电路输出方波信号同时送到FPGA中的脉宽信号计时单元利用初始输入信号与输出方波信号周期相同的特点，以此信号分频产生另一方波信号，其周期是初始输入信号周期的两倍。由于分频后的方波信号高电平期间，充放电脉宽信号正好包含一个充电脉宽信号与一个放电脉宽信号，在这期间对充放电脉宽信号进行脉宽信号计时，得到正比于RC的充放电时间，提高了计时测量的稳定性与准确性。当电容固定时，异或门U3输出的充放电时间脉宽信号时间宽度正比于电阻值的大小；当电阻固定时，异或门U3输出的充放电时间脉宽信号时间宽度正比于电容值的大小，经过数学运算后就会测出电阻或电容的大小。
本发明的工作原理：
本发明提供的高精度电阻电容测量电路，通过RC时间常数来测量，采用上升半电压的方式，使充放电时间与输入电压没有关系。在一般RC充放电电路的基础上又增加了二次充放电电路与逻辑处理，加快了输出信号的上升与下降速度，为下次测量准备了初始条件，提高了测量速度，其次，脉冲计数的时钟频率高，实现时间分辨率达ns级的测量，将FPGA时钟频率倍频到200M，其时间分辨率为5ns，而且在测量电阻时可以选择较大的电容，扩大了脉冲计数值与RC的比例系数，从而提高测量精度与分辨率，本发明可实现多路测量，多路测量可以共用信号源及与信号相关的逻辑信号，而且同一电路对电阻电容可以分别进行测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，该高精度测量电阻电容的系统包括：输入方波信号发生单元、电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元、脉宽信号计时单元；
用于产生初始输入信号，通过电平转换电路单元作用于电阻电容测量电路的输入方波信号发生单元；
与输入方波信号发生单元连接，用于不同工作电源的数字电路之间电平匹配的电平转换电路单元，
与逻辑处理单元连接，用于对电阻电容测量电路中间电位进行加速充电的二次充电电路单元；
与逻辑处理单元连接，用于电阻电容测量电路中间电位加速放电的二次放电电路单元；
与电阻电容测量电路中间电位、比较电压和输入方波信号发生单元连接，用于对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，转换成输出方波信号的比较电路单元；
与输入方波信号发生单元和比较电路单元连接，用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理和充放电逻辑控制的逻辑处理单元；
与逻辑处理单元连接，用于对占空比正比于充放电时间的脉宽信号进行计时的脉宽信号计时单元；
其中，输入方波信号发生单元，由FPGA晶振的时钟信号经过软件上计数分频得到。
2.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，逻辑处理单元还包括：充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，充电逻辑处理单元和放电逻辑处理单元；
用于对初始输入信号与比较电路单元的输出信号的处理，得到占空比正比于充放电时间的脉宽信号的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元；
与电平转换电路单元连接，通过电平转换电路单元连接二次充电电路单元，用于完成对二次充电电路单元的充电逻辑控制的充电逻辑处理单元；
与二次放电电路单元连接，用于完成对二次放电电路单元的放电逻辑控制的放电逻辑处理单元。
3.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，电平转换电路单元其中一组通过R2，R3以及三极管Q1组成的电平转换电路，初始输入信号由FPGA输出，幅值为3.3V，将初始输入信号转换成频率保持不变，幅值增加到5V的输入方波信号，另外一组通过R1、R11和三极管Q4组成的电平转换电路将与门U4的输出幅值转换成5V，充分保证三极管Q2工作在截止状态。
4.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，二次充放电电路单元，通过R7、R8和三极管Q2组成的充电电路以及R9、R10和三极管Q3组成的放电路对电阻电容测量电路的中间电位进行加速充电和放电，加快了输出信号的上升与下降速度，为下次测量准备了初始条件，提高了测量速度。
5.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，比较电路单元，通过型号为LM393的比较器U2，R4，R5和R6组成的比较电路对电阻电容测量电路中间端的输出结果进行比较，选择的2.5V作为比较电压值转换成输出方波信号，使得比较电压直流漂移带来的测量误差减小到最小。
6.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，逻辑处理单元由异或门U3构成的充放电时间脉宽信号逻辑处理单元，非门U1和与门U4构成的充电逻辑处理单元和或非门U5构成的放电逻辑处理单元组成，对输入方波信号发生单元的输出信号和比较电路单元的输出信号进行处理，在FPGA内部完成，提高系统的集成度，同一性。
7.如权利要求1所述的高精度测量电阻电容的系统，其特征在于，脉宽信号计时单元利用初始输入信号与输出方波信号周期相同，以此信号分频产生另一方波信号，周期是初始输入信号周期的两倍，分频后的方波信号高电平期间，充放电脉宽信号包含一个充电脉宽信号与一个放电脉宽信号，期间对充放电脉宽信号进行脉宽信号计时，得到正比于RC的充放电时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Hubei Industry University Document name: Notification of Passing Preliminary Examination of the Application for Invention |
|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160608 Termination date: 20170929 |