CN106645981A - 电容容值测量电路 - Google Patents

Abstract

一种电容容值测量电路，包括控制器、待测电容、电容充放电单元以及电压采样单元，其中：所述控制器，适于在一个测量周期中，输出充电控制信号至所述电容充放电单元；并在输出所述充电控制信号达到预设时长时，输出放电控制信号至所述电容充放电单元；计算所述测量周期中，所述待测电容的电压改变量；根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，计算所述待测电容容值；所述电容充放电单元，适于在所述充电控制信号的控制下，与所述待测电容形成充电回路；在所述放电控制信号的控制下，与所述待测电容形成放电回路；所述电压采样单元，适于采集所述待测电容的电压值。上述方案能够有效提高电容容值测量的精度。

Description

电容容值测量电路

技术领域

本发明涉及元器件测试领域，尤其涉及一种电容容值测量电路。

背景技术

在电工技术中，电容是最常见的元器件之一，广泛应用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、调谐回路等应用场景。

在实际应用中，可以采用多种方法来测量电容容值，例如，采用电桥法测量电容容值、采用容抗法测量电容容值。

在采用容抗法测量电容容值时，是将交流正弦波信号施加在被测电容上，之后进行电容—电压转换，再通过带通滤波器滤出干扰信号。然后，通过交流/直流(AlternatingCurrent/Direct Current，AC/DC)转换器得到正比于待测电容容值的有效值电压，进而通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)对转换后得到的模数(A/D)采样值来计算电容值。

然而，在采用容抗法测量电容容值时，由于电容存在内阻，导致测量精度较低。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是如何提高电容容值测量的精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电容容值测量电路，包括：控制器、待测电容，分别与所述控制器及所述待测电容耦接的电容充放电单元以及电压采样单元，其中：所述控制器，适于在一个测量周期中，输出充电控制信号至所述电容充放电单元；并在输出所述充电控制信号达到预设时长时，输出放电控制信号至所述电容充放电单元；获取输出所述充电控制信号时所述电压采样单元采集到的待测电容的电压值作为所述待测电容开始充电时的电压值，以及输出所述放电控制信号时所述电压采样单元采集到的待测电容的电压值作为所述待测电容开始放电时的电压值，计算所述测量周期中，所述待测电容在所述预设时长内的电压改变量；根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，计算所述待测电容容值；所述电容充放电单元，适于在所述充电控制信号的控制下，与所述待测电容形成充电回路，使所述待测电容充电；以及，在所述放电控制信号的控制下，与所述待测电容形成放电回路，使所述待测电容放电；所述电压采样单元，与所述待测电容耦接，适于在一个测量周期内，采集所述待测电容的电压值。

可选的，所述控制器，适于采用如下公式计算所述待测电容容值：其中，C为所述待测电容容值，C₀为预设的标准电容容值，V₂为所述标准电容对应的开始放电时的电压值，V₁为所述标准电容对应的开始充电时的电压值，(V₂-V₁)为所述标准电容容值对应的电压改变量，V₂'为所述待测电容对应的开始放电时的电压值，V₁'为所述待测电容对应的开始充电时的电压值，V₂'-V₁'为所述待测电容在所述预设时长内的电压改变量。

可选的，所述电容充放电单元包括：多路选择开关、恒流源以及电压源，其中：所述多路选择开关，不动端与待测电容的第一端耦接，动端与恒流源及电压源择一连接，在所述充电控制信号的控制下，将所述恒流源与所述待测电容形成充电回路；以及，在所述放电控制信号的控制下，将所述电压源与所述待测电容形成放电回路；所述待测电容的第二端与地耦接。

可选的，所述电容充放电单元还包括：第一限流电阻，耦接在所述待测电容的第一端与所述电容充放电单元的输出端之间。

可选的，所述电容容值测量电路包括：比较器；所述比较器的第一输入端输入预设的电容放电完成电压阈值对应的电压，第二输入端与所述待测电容的第一端耦接，输出端与所述控制器的输入端耦接；所述控制器，输入端适于接收所述待测电容容值是否达到所述放电完成电压阈值的信号。

可选的，所述电容容值测量电路还包括：第二限流电阻，耦接在所述待测电容的第一端与所述比较器的第二输入端之间。

可选的，所述电压采样单元为模数转换器，输入端与所述待测电容的第一端耦接，适于将采集所述待测电容的电压值转换成数字信号。

可选的，所述模数转换器为24位模数转换器，且包括至少18位有效位。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

根据待测电容在充电开始时的电压值以及在放电开始时的电压值，计算待测电容在预设时长内的电压改变量。根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，即可计算待测电容容值。也即：在测量电容容值时，将待测电容容值与待测电容在预设时长内的电压改变量相对应，而不是将待测电容容值与电压对应，从而可以避免因电容存在内阻而导致测量精度较低的情况出现，故能够提高电容容值测量的精度。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种电容容值测量电路的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种电容充放电单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中的另一种电容容值测量电路的结构示意图。

具体实施方式

在现有技术中，可以采用电桥法或者容抗法测量电容容值。电桥法根据电桥平衡原理测量电容容值，测试精度较高，但是电路较为复杂，成本高，体积大。

采用容抗法测量电容容值时，是将交流正弦波信号施加在被测电容上，之后进行电容—电压转换，再通过带通滤波器滤除干扰信号。然后，通过AC/DC转换器得到正比于待测电容容值的有效值电压，进而通过ADC转换后得到的A/D采样值来计算电容值。然而，在采用容抗法测量电容容值时，由于电容存在内阻，导致测量精度较低。

在本发明实施例中，根据待测电容在充电开始时的电压值以及在放电开始时的电压值，计算待测电容在预设时长内的电压改变量。根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，即可计算待测电容容值。也即：在测量电容容值时，将待测电容容值与待测电容在预设时长内的电压改变量相对应，而不是将待测电容容值与电压对应，从而可以避免因电容存在内阻而导致测量精度较低的情况出现，故能够提高电容容值测量的精度。此外，本发明实施例中提供的电容容值测量电路结构较电桥法更为简单，成本较低。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，给出了本发明实施例中的一种电容容值测量电路，包括：控制器11、待测电容12、电容充放电单元13以及电压采样单元14。

在具体实施中，控制器11与电容充放电单元13、电压采样单元14均耦接，待测电容12与电容充放电单元13、电压采样单元14均耦接。

在测量待测电容12的容值时，在一个测量周期中，控制器11可以先输出充电控制信号至电容充放电单元13。电容充放电单元13在接收到充电控制信号后，与待测电容12形成充电回路，从而为待测电容12进行充电。

在一个测量周期中，控制器11在输出充电控制信号的时长达到预设时长时，输出放电控制信号至电容充放电单元13。电容充放电单元13在接收到放电控制信号后，与待测电容12形成放电回路，从而使得待测电容12放电。

例如，在一个测量周期中，预设时长为100ms，则在测量周期开始时刻t0，控制器11输出充电控制信号至电容充放电单元13。电容充放电单元13在接收到充电控制信号后，为待测电容12进行充电。在t1时刻，控制器11输出放电控制信号至电容充放电单元13，其中，t1＝(t0+100)ms。电容充放电电源在接收到放电控制信号后，与待测电容12形成放电回路，从而使得待测电容12放电。

在具体实施中，电压采样单元14与待测电容12耦接。在一个测量周期中，电压采样单元14可以实时采集待测电容12两端的电压值，也即电压采样单元14在一个测量周期中采集到的电压值为多个。

在一个测量周期结束后，控制器11可以从电压采样单元14中获取所采集的电压值，并从中获取输出充电控制信号时待测电容12的电压值，也即待测电容12开始充电时的电压值；以及从中获取输出放电控制信号时待测电容12的电压值，也即待测电容12开始放电时的电压值。

在实际应用中，在一个测量周期中，电压采样单元14所采集的电压值可能为多个。控制器11可以根据输出充电控制信号的时刻和输出放电控制信号的时刻，从多个电压值中获取待测电容12开始充电时的电压值和开始放电时的电压值。

例如，电压采样单元14在每采集一个电压值时，均保存采集到的电压值对应的时刻。控制器11在从电压采样单元14中获取电压采样单元14采集到的多个电压值时，查找与输出充电控制信号的时刻对应的电压值作为待测电容12开始充电时的电压值，查找与输出放电控制信号的时刻对应的电压值作为待测电容12开始放电时的电压值。

在具体实施中，在一个测量周期中，控制器11也可以实时地从电压采样单元14中获取所采集到的电压值。此时，控制器11在输出充电控制信号时从电压采样单元14中获取到的电压值即为待测电容12开始充电时的电压值，控制器11在输出放电控制信号时从电压采样单元14中获取到的电压值即为待测电容12开始放电时的电压值。

控制器11在获取到一个测量周期内的待测电容12开始充电时的电压值以及开始放电时的电压值时，即可计算在该测量周期内，待测电容12在预设时长内的电压改变量。在具体实施中，将待测电容12开始放电时的电压值与待测电容12开始充电时的电压值相减，得到的差值即为一个该测量周期内待测电容12的电压改变量。

控制器11在获取到一个测量周期内的待测电容12的电压改变量时，可以根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，计算待测电容12容值。

下面对计算待测电容12容值的原理进行说明。

由电容充电电流公式：I＝dQ/dt可知，△Q＝I*△t，其中，△Q为待测电容12的电荷改变量，I为待测电容12的充电电流且I为常量，△t为待测电容12的充电时长。

又△Q＝C*△t，因此，I*△t＝C*△V，其中，△V为待测电容12的电压改变量，C为待测电容12容值。

对等式I*△t＝C*△V进行变形，得到如下公式：

设定充电时长Δt为常量，根据电压采样单元14在测量周期中所采集到的待测电容12开始充电时的电压值V₁'、待测电容12开始放电时的电压值V₂'，计算得到待测电容12在充电时长Δt内的电压改变量△V＝V₂'-V₁'。

将△V＝V₂'-V₁'代入式(1)，得到待测电容12的容值为：

其中，I和Δt均为常量。

为获取精确的电容容值，可以预先对标准电容进行多次测量，来获取标准电容的电压改变量与电容容量的对应关系。

同理，根据式(2)，针对标准电容，可以得到标准电容容值与电压改变量的关系：

式(3)中，C₀为预设的标准电容容值，V₂为标准电容对应的开始放电时的电压值，V₁为标准电容对应的开始充电时的电压值，(V₂-V₁)为标准电容容值对应的电压改变量。

将式(2)与式(3)进行除法运算，得到待测电容12容值为：

也就是说，根据预先标定的标准电容容值与电压改变量的对应关系，以及待测电容12的电压改变量，即可获取待测电容12容值。

在实际应用中，选取电容容值为100nF的标准电容，多次测量标准电容在固定时长Δt内对应的电压改变量，求其平均值，进而可以建立标准电容容值与电压改变量的映射关系。可以理解的是，还可以采用其他的方法来预先获取标准电容容值与电压改变量的映射关系。

在获取到标准电容容值与电压改变量的映射关系之后，可以将上述映射关系存储在控制器11中的存储区域，或者将上述映射关系存储在其他存储器中，其他存储器与控制器11耦接且能够被控制器11读取。

可以理解的是，在具体实施中，为提高电容容值测量的精度，控制器11可以获取多个测量周期对应的待测电容12的容值，进而求其平均值作为确定的待测电容12的容值。

在具体实施中，控制器11也可以获取多个测量周期对应的待测电容12在预设时长内的电压改变量，求取多个测量周期对应的电压改变量的平均值，进而根据预设的电压改变量所对应的电容值以及电压改变量的平均值，计算待测电容12的容值。

由此可见，在本发明实施例中，根据待测电容在充电开始时的电压值以及在放电开始时的电压值，计算待测电容在预设时长内的电压改变量。根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，即可计算待测电容容值。也即：在测量电容容值时，将待测电容容值与待测电容在预设时长内的电压改变量相对应，而不是将待测电容容值与电压对应，从而可以避免因电容存在内阻而导致测量精度较低的情况出现，故能够提高电容容值测量的精度。

在具体实施中，电容充放电单元13可以包括：多路选择开关、恒流源以及电压源。多路选择开关，包括不动端和两个动端。多路选择开关的不动端与待测电容的第一端耦接，动端与恒流源或电压源择一连接。

参照图2，给出了本发明实施例中的一种电容充放电单元13的结构示意图，下面结合图1进行说明。

当电容充放电单元13接收到控制器11发送的充电控制信号时，多路选择开关S在充电控制信号的控制下，动端与恒流源连接，将恒流源与待测电容12形成充电回路，从而通过恒流源为待测电容12充电。

当电容充放电单元13接收到控制器11发送的放电控制信号时，多路选择开关S在放电控制信号的控制下，动端与电压源VSS连接，将电压源VSS与待测电容12形成放电回路，从而使得待测电容12放电。

在具体实施中，电容容值测量电路还包括比较器。比较器的第一输入端输入预设的电容放电完成电压阈值对应的电压，第二输入端与待测电容12的第一端耦接，输出端与控制器11的输入端耦接。控制器11的输入端，适于接收待测电容12的容值是否达到放电完成电压阈值的信号。当控制器11检测到输入端接收到待测电容12的容值达到放电完成电压阈值的信号时，即可生成充电控制信号并输出至电容充放电单元13。

参照图3，给出了本发明实施例中的另一种电容容值测量电路，结合图1、图2进行说明。

比较器15的第一输入端的输入电压为VDD_L，VDD_L为预设的电容充电完成电压阈值对应的电压。比较器15的第二输入端与待测电容12的第一端耦接，待测电容12的第二端与地耦接，故比较器15的第二输入端输入的是待测电容12的电压。比较器15的输出端与控制器11的输入端耦接。

当比较器15的第一输入端的输入电压大于第二输入端的输入电压时，比较器15的输出端输出高电平信号；反之，当比较器15的第一输入端的输入电压小于或等于第二输入端的输入电压时，比较器15的输出端输出低电平信号。

当待测电容12处于充电状态时，待测电容12的电压大于电容放电完成电压阈值，因此，比较器15的输出端输出低电平信号。当待测电容12处于放电状态时，随着放电时长的增加，待测电容12的电压逐渐降低。当待测电容12的电压达到或低于电容放电完成电压阈值时，比较器15的输出端输出的信号从低电平跳变到高电平。

控制器11检测到输入端输入高电平信号时，即可判定待测电容12完成放电，此时，可以进入下一个测量周期，重新生成充电控制指令并输出至电容充放电单元13，执行下一个测量周期的操作。

在具体实施中，电容放电完成电压阈值可以根据实际的应用场景自行设定。例如，设定电容放电完成电压阈值为1.3V。

在具体实施中，电压采样单元14可以为模数转换器(ADC)，ADC的第一端与待测电容的第一端耦接，适于将采集到的待测电容的电压值转换成数字信号。也就是说，控制器11在从ADC中读取到的待测电容12的电压值均为数字信号格式。

在采用ADC作为电压采样单元14时，为保证待测电容12的容值的测量精度，可以根据实际的精度需求，来设定ADC的位数。

在本发明一实施例中，待测电容12的容值的测量精度为1nF，则设定ADC为24位精度的ADC，且24位精度的ADC至少存在18位有效位。

可以理解的是，还可以采用其他的装置作为电压采样单元14，只要能够实现实时采集待测电容12的电压值即可。

在具体实施中，电容容值测量电路还可以包括第一限流电阻R1。第一限流电阻R1的第一端与待测电容12的第一端耦接，第二端与电容充放电单元13的输出端耦接，可以避免待测电容12与电容充放电单元13之间出现短路。

在具体实施中，电容容值测量电路还可以包括第二限流电阻R2，第一端与待测电容12的第一端耦接，第二端与比较器15的第二输入端耦接。通过设置第二限流电阻R2，可以避免待测电容12与比较器15之间出现短路。

在具体实施中，上述电容容值测量电路可以集成在一块芯片中，也可以设置在同一块电路板上，或者设置在不同的且存在电连接的电路板上。相比于电桥法测量电容容值，本发明实施例中提供的电容容值测量电路的电路结构较为简单，体积较小，容易携带。

在具体实施中，本发明实施例中提供的电容容值测量电路，可以用于对大电容进行充电，大电容可以为电容容值大于1μF的电容。在通过恒流源为电容进行充电时，可以加快待测电容的充电速度，提高电容容值测量的效率。

下面通过举例，对采用本发明上述实施例中提供的电容容值测量电路进行电容容值测量的过程进行详细说明。

待测电容的理想容值为47μF。在一个测量周期内，待测电容开始充电时的电压值为V₁'＝0xF3C8B9(有符号数)，待测电容开始放电时的电压值为V₂'＝0x0DD0EF。标准电容容值为C₀＝100μF，标准电容开始充电时的电压值为V₁＝0xF3C8C5，标准电容开始放电时的电压值为V₂＝0xFFF670。

故，根据式(4)可以计算得到待测电容容值为C＝46.773μF。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种电容容值测量电路，其特征在于，包括：控制器、待测电容，分别与所述控制器及所述待测电容耦接的电容充放电单元以及电压采样单元，其中：所述控制器，适于在一个测量周期中，输出充电控制信号至所述电容充放电单元；并在输出所述充电控制信号达到预设时长时，输出放电控制信号至所述电容充放电单元；获取输出所述充电控制信号时所述电压采样单元采集到的待测电容的电压值作为所述待测电容开始充电时的电压值，以及输出所述放电控制信号时所述电压采样单元采集到的待测电容的电压值作为所述待测电容开始放电时的电压值，计算所述测量周期中，所述待测电容在所述预设时长内的电压改变量；根据预设的标准电容容值与电压改变量的对应关系，计算所述待测电容容值；

所述电容充放电单元，适于在所述充电控制信号的控制下，与所述待测电容形成充电回路，使所述待测电容充电；以及，在所述放电控制信号的控制下，与所述待测电容形成放电回路，使所述待测电容放电；

所述电压采样单元，与所述待测电容耦接，适于在一个所述测量周期内，采集所述待测电容的电压值。

2.如权利要求1所述的电容容值测量电路，其特征在于，所述控制器，适于采用如下公式计算所述待测电容容值：

$C=\frac{C_0\×(V_2-V_1)}{V_2^{\′}-V_1^{\′}};$

其中，C为所述待测电容容值，C₀为预设的标准电容容值，V₂为所述标准电容对应的开始放电时的电压值，V₁为所述标准电容对应的开始充电时的电压值，(V₂-V₁)为所述标准电容容值对应的电压改变量，V′₂为所述待测电容对应的开始放电时的电压值，V′₁为所述待测电容对应的开始充电时的电压值，V′₂-V′₁为所述待测电容在所述预设时长内的电压改变量。

3.如权利要求1所述的电容容值测量电路，其特征在于，所述电容充放电单元包括：多路选择开关、恒流源以及电压源，其中：

所述多路选择开关，不动端与所述待测电容的第一端耦接，动端与所述恒流源及所述电压源择一连接，在所述充电控制信号的控制下，将所述恒流源与所述待测电容形成充电回路；以及，在所述放电控制信号的控制下，将所述电压源与所述待测电容形成放电回路。

所述待测电容的第二端与地耦接。

4.如权利要求3所述的电容容值测量电路，其特征在于，还包括：第一限流电阻，耦接在所述待测电容的第一端与所述电容充放电单元的输出端之间。

5.如权利要求1所述的电容容值测量电路，其特征在于，所述电容容值测量电路包括：比较器；

所述比较器的第一输入端输入预设的电容放电完成电压阈值对应的电压，第二输入端与所述待测电容的第一端耦接，输出端与所述控制器的输入端耦接；所述控制器，输入端适于接收所述待测电容容值是否达到所述放电完成电压阈值的信号。

6.如权利要求5所述的电容容值测量电路，其特征在于，还包括：第二限流电阻，耦接在所述待测电容的第一端与所述比较器的第二输入端之间。

7.如权利要求1～6任一项所述的电容容值测量电路，其特征在于，所述电压采样单元为模数转换器，输入端与所述待测电容的第一端耦接，适于将采集到的所述待测电容的电压值转换成数字信号。

8.如权利要求7所述的电容容值测量电路，其特征在于，所述模数转换器为24位模数转换器，且包括至少18位有效位。