CN105974202A - 具有多量程的微电容参比测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有多量程的微电容参比测量电路及方法，包括被测电容电路以及多个参比电容测量电路。激励电压信号从此公共端接入测量电路，各个电容的电流通过其对应的运算放大器及反馈电路转换为各自的电压信号，进而测量被测电容电路以及某一个参比测量电路的输出电压信号比值得到被测电容的电容量，由此通过将参比电容设置为不同的电容量以及控制被测电容电路对应的反馈电路实现多个测量量程，从而扩展了微电容参比测量电路的测量范围，通过多量程设置的不同的参比电容与被测电容结构的比较，提高了被测电容的精度。该电路应用于模拟集成电路测试系统、数字集成电路测试系统、混合集成电路测试系统以及半导体分立器件测试系统中。

Description

具有多量程的微电容参比测量电路及方法

技术领域

本发明属于基本电子测量领域，具体涉及一种具有多量程的微电容参比测量电路及方法。

背景技术

ESD防护芯片或其组件可以为电路中的半导体器件提供静电放电保护及其它过压保护，防止半导体器件损坏。寄生电容是ESD防护芯片的一个重要参数，因此量产中，需要测试ESD防护芯片的寄生电容（通常在pF量级）。对于寄生电容的测试，一些设计公司或者封装测试厂选择LCR表，但是LCR表的成本相对较高。考虑到成本因素，人们设计了一些专用的微电容测量电路。这些专用测量电路的原理也不尽相同，在发明专利（公开号CN101349716A）以及文献《基于参比电容和锁定放大的微电容测量仪》中都提出了微电容参比测量电路。

所述专利及文献中提出的微电容参比测量电路中，参比电容的电容值与被测电容的电容值越接近，测量的准确度越高。不同的ESD防护芯片，其寄生电容的数值也不尽相同，如一些ESD防护芯片的寄生电容的数值小于1pF、一些ESD防护芯片的寄生电容的数值为几十pF甚至更高，但是所述微电容参比测量电路只有一个测量量程，因此对于从小于1pF到几十pF甚至几百pF的测量范围，单个所述微电容测量电路无法在所述测量范围内保证较高的测量精度。进而在实际量产中，人们需要多个所述微电容参比测量电路用于测试ESD防护芯片的寄生电容参数，但是多个测量电路不利于实际量产的管理，增加了量产环节错误使用所述测量电路的概率。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有多量程的微电容参比测量电路及方法，通过增加支路以及开关的设置实现多量程的测量，并且通过多量程设置的不同的参比电容与被测电容结构的比较，提高了被测电容的精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

具有多量程的微电容参比测量电路，其中，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路包括运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈阻抗、以及多路控制开关，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻抗与控制开关连接跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个激励电压信号同时与多路参比电容另一端以及被测电容另一端连接，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接。

方案进一步是：所述多路控制开关连接第一多路选择电路，所述电压测量电路通过第二多路选择电路与参比电容测试电路的输出端连接，所述电压测量电路通过第三多路选择电路与被测电容测试电路的输出端连接，第一多路选择电路、第二多路选择电路、第三多路选择电路分别接受一个微处理器的I/O 接口控制。

方案进一步是：所述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是电阻，多路参比电容是1pF至1000pF之间的不同参比电容值。

方案进一步是：所述被测电容测试电路的控制开关由由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间。

方案进一步是：述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻和电容并联阻容阻抗，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是一个电阻和多路电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间。

方案进一步是：所述被测电容测试电路的控制开关由第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间。

方案进一步是：所述被测电容测试电路的多路反馈阻抗中的一路反馈阻抗与选择对应的多路参比电容测试电路中一路的反馈阻抗的阻抗值相同。

方案进一步是：所述多路参比电容测试电路的反馈阻抗值相同，所述被测电容测试电路中多路反馈阻抗值相同。

具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈电阻组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈电阻与控制开关串联跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间；所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；

其中：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路电组连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电阻接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。

具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容以及电阻和电容并联的反馈阻容阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻容阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，其中：所述反馈阻抗是一个电阻和多路反馈电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路反馈电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间；所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；

其中：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路反馈电容连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电容接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。

本发明的有益效果是：

本发明通过增加参比测量支路并且将多个参比电容电路支路中的参比电容的电容量配置为不同数值以及增加被测电容电路所对应的反馈支路且反馈支路能够通过开关进行选择控制，进而在同一个测量电路中能够控制流过被测电容与参比电容的电流比值，解决了现有技术方案只有单一测量量程的问题，便于实用中根据被测电容的电容量自动选择测量量程，利于生产管理并降低错误使用测量电路的概率，同时，通过多量程设置的不同的参比电容与被测电容结构的比较，提高了被测电容的精度。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1是电阻反馈的具有多量程的微电容参比测量电路；

图2是电容反馈的具有多量程的微电容参比测量电路。

具体实施方式

实施例1：

具有多量程的微电容参比测量电路，其中，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），反馈阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路包括运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈阻抗、以及多路控制开关，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），反馈阻抗与控制开关连接跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个激励电压信号同时与多路参比电容另一端以及被测电容另一端连接，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接。

实施例中：其中的所述多路控制开关可以是手动开关，作为一个自动控制的优选方案，所述多路控制开关连接第一多路选择电路，所述电压测量电路通过第二多路选择电路与参比电容测试电路的输出端连接，所述电压测量电路通过第三多路选择电路与被测电容测试电路的输出端连接，第一多路选择电路、第二多路选择电路、第三多路选择电路分别接受一个微处理器的I/O 接口控制；微处理器同时肩负着电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接，对输出电压按照设置的步骤测量、计算的工作。

作为多路参比电容测试电路有两种优选方案：

其一是：如图1所示，所述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是电阻，多路参比电容是1pF至1000pF之间的不同参比电容值。

其中，因为测试的是微量电容，为了克服测量中反馈电流线路对测量电压的影响，将电压测试点避开反馈电流流经的线路，因此：所述被测电容测试电路的控制开关由由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间。

其二是：如图2所示：所述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻和电容并联阻容阻抗，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是一个电阻和多路电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间。

同理，因为测试的是微量电容，为了克服测量中反馈电流线路对测量电压的影响，将电压测试点避开反馈电流流经的线路，因此：所述被测电容测试电路的控制开关由第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间。

通过测量后的参数最后计算（后面介绍）出被测电容值，其中的公式用到已知参数，因此为了简化运算：

1，所述被测电容测试电路的多路反馈阻抗中的一路反馈阻抗与选择对应的多路参比电容测试电路中一路的反馈阻抗的阻抗值相同。

2，所述多路参比电容测试电路的反馈阻抗值相同，所述被测电容测试电路中多路反馈阻抗值相同。

实施例2：

具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈电阻组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），反馈电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），反馈电阻与控制开关串联跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间；所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；

其中：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路电组连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电阻接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。

在实际的测量中当被测电容是1pF或小于1pF时，作为测量环境，即被测电容的载体（例如连接接口）的寄生电容不可以忽略，寄生电容所占的比重也比较大，因此，当被测电容是1pF或小于1pF时，所述方法进一步包括检测寄生电容的步骤：除去被测电容，检测被测电容载体的寄生电容，所述被检电容值是第一次检测的电容值减去寄生电容的电容值。

实施例3：

具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容以及电阻和电容并联的反馈阻容阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），反馈阻容阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接（相当于电源负极），其中：所述反馈阻抗是一个电阻和多路反馈电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路反馈电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间；所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；

其中：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路反馈电容连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电容接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。

同理：在实际的测量中当被测电容是1pF或小于1pF时，作为测量环境，即被测电容的载体（例如连接接口）的寄生电容不可以忽略，寄生电容所占的比重也比较大，因此，当被测电容是1pF或小于1pF时，所述方法进一步包括检测寄生电容的步骤：除去被测电容，检测被测电容载体的寄生电容，所述被检电容值是第一次检测的电容值减去寄生电容的电容值。

下面通过附图具体介绍上述实施例实现的过程：

一，电阻反馈的具有多量程的微电容参比测量电路。

如图1所示，该实施例给出的技术方案有三个参比电容电路支路以及一个被测电容电路，其中V_in为激励电压信号，C_r1、C_r2、C_r3为参比电容且电容量不同，C_x为被测电容，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3与所述被测电容Cx的一端相连，所述激励电压信号V_in从此公共端接入测量电路。

所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3分别对应运算放大器N1、N2、N3，并且C_r1、C_r2、C_r3的另一端分别接入所述运算放大器N1、N2、N3的反向输入端。所述运算放大器N1、N2、N3的同相输入端接地，运算放大器N1、N2、N3的反向输入端与输出端之间分别连接有反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3，运算放大器N1、N2、N3的输出分别对应三个参比电容电路支路的输出电压信号V_cr1、V_cr2、V_cr3。

所述被测电容C_x对应运算放大器N4并且C_x的另一端接入所述运算放大器N4的反向输入端。所述运算放大器N4的同相输入端接地；运算放大器N4的反向输入端与输出端之间并联连接有三个反馈支路，其中第一反馈支路101有反馈电阻R_f4与开关S1B的串联连接、第二反馈支路102有反馈电阻R_f5与开关S2B的串联连接、第三反馈支路103有反馈电阻R_f6与开关S3B的串联连接。

对于所述反馈电阻R_f4，其与所述开关S1B相连接的一端与开关S1A的一端相连；对于所述反馈电阻R_f5，其与所述开关S2B相连接的一端与开关S2A的一端相连；对于所述反馈电阻R_f6，其与所述开关S3B相连的一端与开关S3A的一端相连；进而将所述开关S1A、S2A及S3A的另一端相连，并且从该公共端引出所述被测电容电路的输出电压信号V_cx。

图1所示的实施例的工作过程如下：

设置所述被测电容电路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第一反馈支路101，即所述开关S1B接通、所述开关S2B以及S3B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3以及R_f4的电流相同，并且该电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3的电压；所述开关S1A接通、所述开关S2A以及S3A断开，进而得到所述反馈电阻R_f4的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式1

式2

式3

式4

式5

式6

式7

设置所述被测电容电路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第二反馈支路102，即所述开关S2B接通、所述开关S1B以及S3B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3以及R_f5的电流相同，并且该电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3的电压；所述开关S2A接通、所述开关S1A以及S3A断开，进而得到所述反馈电阻R_f5的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式8

式9

式10

式11

设置所述被测电容电路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第三反馈支路103，即所述开关S3B接通、所述开关S1B以及S2B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3以及R_f6的电流相同，并且该电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3的电压；所述开关S3A接通、所述开关S1A以及S2A断开，进而得到所述反馈电阻R_f6的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式12

式13

式14

式15

所述等式式5、式6、式7、式9、式10、式11、式13、式14、式15中的C_r1、C_r2及C_r3分别用于表示所述参比电容C_r1、C_r2及C_r3的电容量，由于所述参比电容的电容量不同，因此这些等式中的C_r1、C_r2及C_r3为不同的数值。

将所述第一反馈支路101中的反馈电阻R_f4、所述第二反馈支路102中的反馈电阻R_f5、所述第三反馈支路103中的反馈电阻R_f6的电阻值设置为不同的数值，进而所述等式式5、式6、式7、式9、式10、式11、式13、式14、式15中的R_f4、R_f5及R_f6为不同的数值。

通过选择不同的所述参比电容测量支路以及所述被测电容电路对应的运算放大器不同的反馈支路，测量得到V_cx以及V_cr1或者V_cr2或者V_cr3，进而通过所述等式式5、式6、式7、式9、式10、式11、式13、式14、式15中的一个等式做计算得到所述被测电容C_x的电容量，由此实现微电容参比测量电路具有多个测量量程。

二，电容反馈的具有多量程的微电容参比测量电路。

如图2所示，该实施例给出的技术方案有三个参比电容电路支路以及一个被测电容电路，其中V_in为激励电压信号，C_r1、C_r2、C_r3为参比电容且电容量不同，C_x为被测电容，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3与所述被测电容C_x的一端相连，所述激励电压信号V_in通过此公共端接入测量电路。

所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3分别对应运算放大器N1、N2、N3，并且C_r1、C_r2、C_r3的另一端分别接入所述运算放大器N1、N2、N3的反向输入端。所述运算放大器N1、N2、N3的同相输入端接地；所述运算放大器N1的反向输入端与输出端之间并联连接有反馈电容C_f1和反馈电阻R_f1，所述运算放大器N2的反向输入端与输出端之间并联连接有反馈电容C_f2和反馈电阻R_f2，所述运算放大器N3的反向输入端与输出端之间并联连接有反馈电容C_f3和反馈电阻R_f3；运算放大器N1、N2、N3的输出分别对应三个参比电容电路支路的输出电压信号V_cr1、V_cr2、V_cr3。

所述被测电容C_x对应运算放大器N4并且C_x的另一端接入所述运算放大器N4的反向输入端。所述运算放大器N4的同相输入端接地；运算放大器N4的反向输入端与输出端之间并联连接有三个反馈支路以及反馈电阻R_f4，其中第一反馈支路201有反馈电容C_f4与开关S1B的串联连接、第二反馈支路202有反馈电容C_f5与开关S2B的串联连接、第三反馈支路203有反馈电容C_f6与开关S3B的串联连接。

所述反馈电阻R_f1、R_f2、R_f3的电阻值比较大，分别用于消除直流电流对所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3的积分效应；此外所述反馈电阻R_f4的电阻值比较大，用于消除直流电流对所述反馈电容C_f4、C_f5、C_f6的积分效应。

对于所述反馈电容C_f4，其与所述开关S1B相连接的一端与开关S1A的一端相连；对于所述反馈电容C_f5，其与所述开关S2B相连接的一端与开关S2A的一端相连；对于所述反馈电容C_f6，其与所述开关S3B相连的一端与开关S3A的一端相连；进而将所述开关S1A、S2A及S3A的另一端相连，并且从该公共端引出所述被测电容电路的输出电压信号V_cx。

图2所示的实施例的工作过程如下：

设置所述被测电容电路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第一反馈支路201，即所述开关S1B接通、所述开关S2B以及S3B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电阻C_f1、C_f2、C_f3以及C_f4的电流相同，并且该电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3的电压；所述开关S1A接通、所述开关S2A以及S3A断开，进而得到所述反馈电容C_f4的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式16

式17

式18

式19

式20

式21

式22

设置所述被测电容支路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第二反馈支路202，即所述开关S2B接通、所述开关S1B以及S3B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3以及C_f5的电流相同，并且这些电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3的电压；所述开关S2A接通、所述开关S1A以及S3A断开，进而得到所述反馈电容C_f5的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式23

式24

式25

式26

设置所述被测电容支路对应的运算放大器N4 的反馈支路为所述第三反馈支路203，即所述开关S3B接通、所述开关S1B以及S2B断开，接着所述激励电压信号V_in施加于所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x后，所述参比电容C_r1、C_r2、C_r3以及所述被测电容C_x的电流分别与流过所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3以及C_f6的电流相同，并且该电流分别流回到所述运算放大器N1、N2、N3以及N4的输出端，进而所述运算放大器N1、N2、N3的输出电压V_cr1、V_cr2、V_cr3分别等于所述反馈电容C_f1、C_f2、C_f3的电压；所述开关S3A接通、所述开关S1A以及S2A断开，进而得到所述反馈电容C_f6的电压，该电压等于所述被测电容电路的输出电压V_cx。由此可以得到：

式27

式28

式29

式30

所述等式式20、式21、式22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的C_r1、C_r2及C_r3分别用于表示所述参比电容C_r1、C_r2及C_r3的电容量，由于所述参比电容的电容量不同，因此这些等式中的C_r1、C_r2及C_r3为不同的数值。

将所述第一反馈支路201中的反馈电容C_f4、所述第二反馈支路202中的反馈电容C_f5、所述第三反馈支路203中的反馈电容C_f6的电阻值设置为不同的数值，进而所述等式式20、式21、式22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的C_f4、C_f5及C_f6为不同的数值。

通过选择不同的所述参比电容测量支路以及所述被测电容电路对应的运算放大器不同的反馈支路，测量得到V_cx以及V_cr1或者V_cr2或者V_cr3，进而通过所述等式式20、式21、式22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的一个等式做计算得到所述被测电容C_x的电容量，由此实现微电容参比测量电路具有多个测量量程。

值得注意的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的构思和原则的前提下所做的等同变化、修改与结合，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.具有多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路包括运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈阻抗、以及多路控制开关，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻抗与控制开关连接跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个激励电压信号同时与多路参比电容另一端以及被测电容另一端连接，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述多路控制开关连接第一多路选择电路，所述电压测量电路通过第二多路选择电路与参比电容测试电路的输出端连接，所述电压测量电路通过第三多路选择电路与被测电容测试电路的输出端连接，第一多路选择电路、第二多路选择电路、第三多路选择电路分别接受一个微处理器的I/O 接口控制。

3.根据权利要求1所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是电阻，多路参比电容是1pF至1000pF之间的不同参比电容值。

4.根据权利要求3所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述被测电容测试电路的控制开关由由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间。

5.根据权利要求1所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，述多路参比电容测试电路中的多路反馈阻抗是电阻和电容并联阻容阻抗，所述被测电容测试电路的反馈阻抗是一个电阻和多路电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间。

6.根据权利要求5所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述被测电容测试电路的控制开关由第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间。

7.根据权利要求1所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述被测电容测试电路的多路反馈阻抗中的一路反馈阻抗与选择对应的多路参比电容测试电路中一路的反馈阻抗的阻抗值相同。

8.根据权利要求1所述的多量程的微电容参比测量电路，其特征在于，所述多路参比电容测试电路的反馈阻抗值相同，所述被测电容测试电路中多路反馈阻抗值相同。

9.具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容和反馈电阻组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈电阻与控制开关串联跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电阻之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电阻之间；所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；其特征在于：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路电组连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电阻接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。

10.具有多量程的微电容参比测量电路的测量方法，所述多量程的微电容参比测量电路包括多路参比电容测试电路和一路被测电容测试电路，所述参比电容测试电路由运算放大器、参比电容以及电阻和电容并联的反馈阻容阻抗组成，多路参比电容的电容值各不相同，参比电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，反馈阻容阻抗跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间；所述被测电容测试电路由运算放大器、被测电容和与多路参比电容测试电路路数相同的反馈电阻、以及多路控制开关组成，被测电容的一端连接在运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端与地连接，其中：所述反馈阻抗是一个电阻和多路反馈电容并联的阻容阻抗，一个电阻跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，所述多路反馈电容分别串接一个所述控制开关跨接在运算放大器反相输入端和运算放大器输出端之间，一个电压测量电路选择性的分别与多路参比电容测试电路的输出以及被测电容测试电路的输出端连接；其中，所述控制开关由并联的第一开关和第二开关组成，第一开关连接在电压测量电路与反馈电容之间，第二开关连接在运算放大器输出与反馈电容之间；

所述方法是：一个激励电压信号同时接入多路参比电容另一端以及被测电容另一端；其特征在于：首先，预判被测电容的电容值，将被测电容测试电路中多路电阻的第一开关和第二开关断开，然后，

步骤1，选择并测量与判断电容值最接近一路参比电容测试电路的输出电压值，接着，选择被测电容测试电路中与一路反馈电容连接的第二开关闭合，运算放大器输出与反馈电容接通，接着，闭合与第二开关并联的第一开关接入电压测量电路测量被测电容测试电路的输出电压值，然后根据已知参数和公式计算出被测电容值；

步骤2，判断：当计算出的被测电容值是最接近一路参比电容值，则被测电容值是最终的被测电容值；当计算出的被测电容值不是最接近一路参比电容值，则重复步骤1。