CN108918980A - 一种电容信号测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容信号测量电路及测量方法，包括被测电容C1、参考电容C2、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3、运算放大器U1、运算放大器U2和可调电压源，通过对被测电容进行重复充电从而实现电容信号测量。本发明可以实现较高的测量分辨率，又能通过可调电压源调节电容测量范围，实现较大范围的电容值测量，通过控制电压调节器的输出电压消除寄生电容影响，增大测量范围，对于具有较大寄生电容的电容式传感器具有较大的应用价值。

Description

一种电容信号测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及微弱信号测量技术，具体涉及微弱电容变化的测量，是一种电容信号测量电路及测量方法，可用于电容式传感器测量。

背景技术

随着微电子及传感器技术的发展，电容式传感器在生物制药、医疗器械、工业控制等领域广泛应用，电容式传感器一般具有结构简单、精度高、工作可靠、动态响应快、可实现非接触测量等特点。

电容式传感器的体积越来越小，造成电容值的变化量十分微弱。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。

微电容测量基本分为三种，即电荷注入法(又称充放电法)、交流激励法、带平衡电容的交流激励法。这几种方法针对电容的微弱变化测量，具有较高的分辨率，但是并没有提出可行的提高测量范围的方法。

针对传统电容检测电路的这些问题，国外已开发出多款专业的微电容检测芯片，如CAV444、AD7746等。由于生产工艺和技术原理上的不同，有些芯片在性能上还存在很大差异和缺点。例如：CAV444测量范围较广，能达到19～2200pF，线性度好。但相对于有些电容传感器几pF的电容量，19pF的最小测量值仍然太大，且输出模拟信号需要后续使用A/D转换电路，增加电路设计量；AD7746具有很低的测量下限，能够输出数字量，但测量范围只有4～21fF(10^-15F)。NXP公司的PCF8883芯片测量范围为10pF到60pF。因此，目前大多数测量方法很难在保证由较高的测量分辨率的基础上测量较大的范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电容信号测量电路及测量方法，具有较高的测量分辨率，且可以调节电容测量范围，并消除寄生电容的影响。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术问题是：一种电容信号测量电路，包括被测电容C1、参考电容C2、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3、运算放大器U1、运算放大器U2和可调电压源，电源Vcc通过受控开关S1连接至节点A，被测电容C1一端通过电阻R1连接至节点A，另一端接地，受控开关S2一端连接至节点A，另一端通过电阻R2接地，受控开关S3一端连接至节点A，另一端连接至运算放大器U1的正相输入端，参考电容C2连接于运算放大器U1的正相输入端与地之间；可调电压源通过电阻R7连接至节点B，节点B连接至运算放大器U1的负相输入端，且节点B通过电阻R4连接至运算放大器U1的输出端，通过电阻R3接地；运算放大器U1的输出端连接至运算放大器U2的同相输入端，且运算放大器U2的输出端通过R6连接至其负相输入端，电阻R6通过电阻R5接地。

本发明所述电容信号测量电路，受控开关S1、S3的开关信号为互补信号，当S1闭合时，S3断开，S1断开时，S3闭合。

本发明所述电容信号测量电路，参考电容C2的值远大于被测电容C1的值一般要大两个数量级以上，即C2/C1≥100，否则造成测量结果的非线性度增加，影响测量精度。

本发明所述电容信号测量电路，受控开关S1、S2、S3为受微控制器控制的MOSFET或三极管或者受控开关S1、S2、S3为受微控制器的引脚。

本发明还公开了一种电容信号测量方法，该方法基于权利要求1所述电容信号测量电路，包括以下步骤：

S01)、断开受控开关S3，闭合受控开关S1，Vcc对被测电容C1进行充电，直到C1两端的电压达到Vcc，然后断开受控开关S1，闭合受控开关S3，被测电容C1内电荷开始给参考电容C2充电，直到两个电容电压达到平衡，此时运算放大器U1同相输入端的电压Vin-1为：

S02)、设运算放大器U1的输出电压为Vout1，则

其中V_1-_0为运算放大器U1同相输入端的电压为0时运算放大器U1反相输入端的电压，

Vtun为可调电压源的输出电压，通过调节可调电压源使V_1-_0为0，则根据公式1、2可知，

微控制检测运算放大器U1的输出电压Vout1然后根据公式4计算C1，计算中的C1中包含寄生电容；

S03)、消除寄生电容的影响，设运算放大器U2的输出电压为Vout2：则

将步骤S02计算出的C1值带入公式5，求得Vout2等于一个需要的定值时V_1-_0的值，并根据V_1-_0的值以及公式3求出Vtun的值；

S04)、微控制器控制可调电压源的输出电压为步骤S03计算出的Vtun，然后重复执行步骤1中对C1、C2进行充电的过程，微控制器检测运算放大器U2的输出电压Vout2，并计算被测电容变化量ΔC₁，

其中n为重复执行充电过程的次数，G为两级运算放大器总的增益，

本发明所述电容信号测量方法，执行步骤S01之前先对被测电容C1和参考电容C2放电，使运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，具体过程为：断开S1、闭合S2及S3，此时电路对被测电容C1及参考电容C2放电，经过一定放电时间后，运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，C1，C2放电完成后断开S2。

本发明所述电容信号测量方法，设被测电容C1的充电时间为t，t≥4τ，τ＝R₁C₁。

本发明所述电容信号测量方法，重复n次充电过程后，运算放大器U1正相输入端的输入电压Vin为：

要求Vin的最大值要小于Vcc的10％。

本发明所述电容信号测量方法，微控制器通过模拟数字信号转换电路测量运算放大器U1、U2的输出电压。

本发明所述电容信号测量方法，当需要检测电容的增加量的时候，令Vout2＝0，当需要检测电容值和电容的减小量时，令Vout2>0。

本发明的有益效果：本发明可以实现较高的测量分辨率，又能通过可调电压源调节电容测量范围，实现较大范围的电容值测量，通过控制电压调节器的输出电压消除寄生电容影响，增大测量范围，对于具有较大寄生电容(尤其是屏蔽线产生的寄生电容)的电容式传感器具有较大的应用价值。

附图说明

图1为电容信号测量电路的原理图；

图2为电容信号测量系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种电容信号测量电路，如图1所示，包括被测电容C1、参考电容C2、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3、运算放大器U1、运算放大器U2和可调电压源，电源Vcc通过受控开关S1连接至节点A，被测电容C1一端通过电阻R1连接至节点A，另一端接地，受控开关S2一端连接至节点A，另一端通过电阻R2接地，受控开关S3一端连接至节点A，另一端连接至运算放大器U1的正相输入端，参考电容C2连接于运算放大器U1的正相输入端与地之间；可调电压源通过电阻R7连接至节点B，节点B连接至运算放大器U1的负相输入端，且节点B通过电阻R4连接至运算放大器U1的输出端，通过电阻R3接地；运算放大器U1的输出端连接至运算放大器U2的同相输入端，且运算放大器U2的输出端通过R6连接至其负相输入端，电阻R6通过电阻R5接地。

本实施例中，受控开关S1、S3的开关信号为互补信号，即当S1闭合时，S3断开，S1断开时，S3闭合。

本实施例中，参考电容C2的值远大于被测电容C1的值，一般要大两个数量级以上，即C2/C1≥100，否则造成测量结果的非线性度增加，影响测量精度。

本实施例中，受控开关S1、S2、S3就是微控制器的引脚，微控制器引脚为低电平时，受控开关断开，微控制器引脚为高电平时，受控开关断开。作为替换方案，受控开关S1、S2、S3也可以采用MOSFET或者三极管，通过微控制器控制其通断。

本实施例中，可调电压源、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3受同一微控制器的控制，且运算放大器U1、U2的输出端连接至该微控制器。工作时，微控制器向可调电压源、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3发送控制信号，并根据运算放大器U1、U2的输出电压Vout1、Vout2调节控制信号，从而实现对电容信号的测量。

实施例2

本实施例公开一种电容信号测量方法，本测量方法基于如图2所示的测量系统，该测量系统包括微控制器和电容信号测量电路，该电容信号测量电路就是实施例1中所述的电容信号测量电路，工作时，微控制器向可调电压源、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3发送控制信号，并根据运算放大器U1、U2的输出电压Vout1、Vout2调节控制信号，从而实现对电容信号的测量。

本方法的具体步骤为：

S01)、对被测电容C1和参考电容C2放电，使运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，具体过程为：断开S1、闭合S2及S3，此时电路对被测电容C1及参考电容C2放电，经过一定放电时间后，运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，C1，C2放电完成后断开S2。本步骤的目的是充分泄放掉电容原有电荷，避免影响测量结果不准确。

S02)、断开受控开关S3，闭合受控开关S1，Vcc对被测电容C1进行充电，直到C1两端的电压达到Vcc，然后断开受控开关S1，闭合受控开关S3，被测电容C1内电荷开始给参考电容C2充电，直到两个电容电压达到平衡，此时运算放大器U1同相输入端的电压Vin-1为：

S03)、设运算放大器U1的输出电压为Vout1，则

其中V_1-_0为运算放大器U1同相输入端的电压为0时运算放大器U1反相输入端的电压，

Vtun为可调电压源的输出电压，通过调节可调电压源使V_1-_0为0，Vin等于Vin-1，则根据公式1、2可知，

微控制检测运算放大器U1的输出电压Vout1然后根据公式4计算C1，计算中的C1中包含寄生电容；

S04)、消除寄生电容的影响，设运算放大器U2的输出电压为Vout2：则

将步骤S03计算出的C1值带入公式5，求得Vout2等于一个需要的定值时V_1-_0的值，并根据V_1-_0的值以及公式3求出Vtun的值。

S05)、微控制器控制可调电压源的输出电压为步骤S04计算出的Vtun，然后重复执行步骤1中对C1、C2进行充电的过程，微控制器检测运算放大器U2的输出电压Vout2，并计算被测电容变化量ΔC₁，

其中n为重复执行充电过程的次数，G为两级运算放大器总的增益，

被测电容C1充电时，可以通过电压表检测其两端的电压，当充电电压达到Vcc时停止充电。也可以设被测电容C1的充电时间为t，令t≥4τ，τ＝R₁C₁，达到时间t后，也认为C1两端的电压达到了Vcc。得出t的过程为：

C1在充电过程中的电压平衡方程为：其中为电阻R1两端的电压，U_c1为电容C1两端的电压，进行微分运算，τ＝R₁C₁，令t≥4τ，此时C1两端电压U_C1≥0.982Vcc，认为U_C1与Vcc相等。

因为C1远小于C2，实际测量过程需要反复多次重复步骤S02的充电过程，使Vin达到一定电压值，重复n次充电过程后，运算放大器U1正相输入端的输入电压Vin为：要求Vin的最大值要小于Vcc的10％，否则会造成测量非线性度增加，测量精度下降。

本实施例中，得出公式2的过程为：用Vtun表示可调电压源的输出电压，V_1-_0表示运算放大器U1同相输入端的电压为0时运算放大器U1反相输入端的电压，由图1可知，分析运算放大器U1组成的放大电路可知，

则

当V_in＜V_1-_0时，由于运算放大器为单电源供电，当同相端电压小于反相端电压时，由于运算放大器的内阻很大，认为是“虚断”。因此没有任何电流会驱动运算放大器U1同相输入端，输入电压Vin保持不变。运算放大器为拉低同相端和反相端的电压差，输出端处于灌电流状态，有：

因此只有V_in＞V_1-_0时，以运算放大器U1组成的放大电路对V_in-V_1-_0进行放大。

本实施例中，得出公式5的过程为：运算放大器U₂工作时，分析运算放大器U₂组成的放大电路可知，根据公式2、7可知，

进一步化简得到，也就得到了公式5。

本实施例中，得出公式6的过程为：步骤S03计算了C1的寄生电容，步骤S04使用微控制器控制可调电压源保持在使运算放大器U₂的输出电压V_out2等于或者略大于零的状态，这样消除了寄生电容的影响，因此在步骤S05的测量过程中，两级运算放大电路实际上成为对C₁/C₂的变化量进行放大，公式5可以写为：其中G是两级运算放大电路总的增益，根据公式8则可以得到被测电容变化量ΔC₁，也就得到了公式6。

本实施中，微控制器通过模拟数字信号转换电路测量运算放大器U1、U2的输出电压。

当需要检测电容的增加量的时候，令Vout2＝0，当需要检测电容值和电容的减小量时，令Vout2>0。

本实施例中，令Vcc＝5V，G＝1000，C2为100nF，充电次数n为25次，ADC的采样深度为12位则系统的理论分辨率约为10^-15F，分辨率较高。

微弱电容信号测量过程中，当被测电容C₁的寄生电容数值较大，而变化量较小，变化量甚至可能远小于寄生电容，如此会造成测量结果不准确，为了保证测量结果准确，需要使被测电容的变化量与寄生电容相当，造成了测量范围较小。本发明通过步骤S03、S04消除寄生电容的影响，可以增大测量范围。

本发明可以实现较高的测量分辨率，又能通过可调电压源调节电容测量范围，实现较大范围的电容值测量，通过控制电压调节器的输出电压消除寄生电容影响，增大测量范围，对于具有较大寄生电容(尤其是屏蔽线产生的寄生电容)的电容式传感器具有较大的应用价值。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据作出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容信号测量电路，其特征在于：包括被测电容C1、参考电容C2、受控开关S1、受控开关S2、受控开关S3、运算放大器U1、运算放大器U2和可调电压源，电源Vcc通过受控开关S1连接至节点A，被测电容C1一端通过电阻R1连接至节点A，另一端接地，受控开关S2一端连接至节点A，另一端通过电阻R2接地，受控开关S3一端连接至节点A，另一端连接至运算放大器U1的正相输入端，参考电容C2连接于运算放大器U1的正相输入端与地之间；可调电压源通过电阻R7连接至节点B，节点B连接至运算放大器U1的负相输入端，且节点B通过电阻R4连接至运算放大器U1的输出端，通过电阻R3接地；运算放大器U1的输出端连接至运算放大器U2的同相输入端，且运算放大器U2的输出端通过R6连接至其负相输入端，电阻R6通过电阻R5接地。

2.根据权利要求1所述的电容信号测量电路，其特征在于：受控开关S1、S3的开关信号为互补信号，当S1闭合时，S3断开，S1断开时，S3闭合。

3.根据权利要求1所述的电容信号测量电路，其特征在于：参考电容C2的值比被测电容C1的值大两个数量级以上，即C2/C1≥100。

4.根据权利要求1所述的电容信号测量电路，其特征在于：受控开关S1、S2、S3为受微控制器控制的MOSFET或三极管或者受控开关S1、S2、S3为微控制器的引脚。

5.一种电容信号测量方法，其特征在于：该方法基于权利要求1所述电容信号测量电路，包括以下步骤：

S01)、断开受控开关S3，闭合受控开关S1，Vcc对被测电容C1进行充电，直到C1两端的电压达到Vcc，然后断开受控开关S1，闭合受控开关S3，被测电容C1内电荷开始给参考电容C2充电，直到两个电容电压达到平衡，此时运算放大器U1同相输入端的电压Vin-1为：

S02)、设运算放大器U1的输出电压为Vout1，则

其中V_1-_0为运算放大器U1同相输入端的电压为0时运算放大器U1反相输入端的电压，

Vtun为可调电压源的输出电压，通过调节可调电压源使V_1-_0为0，则根据公式1、2可知，

微控制检测运算放大器U1的输出电压Vout1然后根据公式4计算C1，计算中的C1中包含寄生电容；

S03)、消除寄生电容的影响，设运算放大器U2的输出电压为Vout2：则

将步骤S02计算出的C1值带入公式5，求得Vout2等于需要的定值时V_1-_0的值，并根据V_1-_0的值以及公式3求出Vtun的值；

S04)、微控制器控制可调电压源的输出电压为步骤S03计算出的Vtun，然后重复执行步骤1中对C1、C2进行充电的过程，微控制器检测运算放大器U2的输出电压Vout2，并计算被测电容变化量ΔC₁，

其中n为重复执行充电过程的次数，G为两级运算放大器总的增益，

6.根据权利要求5所述的电容信号测量方法，其特征在于：执行步骤S01之前先对被测电容C1和参考电容C2放电，使运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，具体过程为：断开S1、闭合S2及S3，此时电路对被测电容C1及参考电容C2放电，经过一定放电时间后，运算放大器U1的正向输入端电压Vin为零，C1，C2放电完成后断开S2。

7.根据权利要求5所述的电容信号测量方法，其特征在于：设被测电容C1的充电时间为t，t≥4τ，τ＝R₁C₁。

8.根据权利要求5所述的电容信号测量方法，其特征在于：重复n次充电过程后，运算放大器U1正相输入端的输入电压Vin为：

要求Vin的最大值要小于Vcc的10％。

9.根据权利要求5所述的电容信号测量方法，其特征在于：微控制器通过模拟数字信号转换电路测量运算放大器U1、U2的输出电压。

10.根据权利要求5所述的电容信号测量方法，其特征在于：当需要检测电容的增加量的时候，令Vout2＝0，当需要检测电容值和电容的减小量时，令Vout2>0。