CN110879313A - 一种电容传感器的微小电容测量电路及测量方法 - Google Patents

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叶耀斌
奚亚男
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    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
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Abstract

本发明涉及一种电容传感器的微小电容测量电路及测量方法，包括一个电荷放大器，两个采样保持器，一个仪表放大器，激励电压源以及被测电容，两个等效电容以及五个受控开关。激励电压源连接被测电容一极，被测电容另一极连接电荷放大器负反馈端；通过可编程逻辑，按特定时序控制电路中多个电子开关的打开或闭合，为电路注入电荷或释放电荷，从而实现微小电容量的测量。同时，被测电容两电极所有杂散电容，在电路中的存在对流过被测电容的电流无影响，从而杂散电容对被测电容量测量无影响，电路具有较强的抗杂散电容的性能，可以快速精准的检测微小电容。

Description

一种电容传感器的微小电容测量电路及测量方法
技术领域
本发明涉及电容传感器电容测量技术领域，具体涉及一种电容传感器的微小电容测量电路及测量方法。
背景技术
电容型传感器应用广泛，典型例子有电容式压力传感器、电容式湿度传感器、电容式液位开关等，利用电容器原理，将其他物理量转化为电容量。电容测量电路的作用是将传感器产生的电容量，转换成可供分析、计算和处理的电信号，是传感器系统非常重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。
现阶段测量电容传感器微小电容，传感器电容量小，一般pf量级，而物理量引起的传感器电容变化更微小，测量此微小电容值的主要困难是杂散电容的影响，杂散电容往往要比被测电容高的多，被测量常被淹没在干扰信号中。
目前用于解决测量微小电容的方法主要有充放电法和交流法。这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对被测电容进行充放电形成与被测电容成比例的电流或电压信号，从而测量出被测电容值。但是这两种方法都有明显的局限性，难以解决杂散电容对测量的影响。因此，为了快速、精确测量电容传感器微小电容，需采用灵敏度高、稳定性好、抗杂散电容测量电路。
综上所述，需开发一种可测量微小电容的电容传感器测量电路。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是，提出了一种电容型传感器的微小电容测量电路及具体测量方法，以解决现有技术存在的技术问题。
本发明提供了一种微小电容测量电路，包括激励电压源Vin、被测电容Cx、等效电容Cas、等效电容Cbs、受控开关S1、受控开关S2、电荷放大器、采样保持器1、采样保持器2、仪表放大器U4。
所述激励电压源Vin连接被测电容Cx一极，被测电容Cx另一极连接电荷放大器负反馈端。
被测电容Cx的左侧极板为激励电极，右侧极板为检测电极。
Cas和Cbs表示被测电容Cx每个电极所有杂散电容的等效电容，Cas由激励电压源Vin驱动，它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容Cbs在检测过程中始终处于虚地状态，Cbs的两端无电压差，因而它也对电容测量无影响即该电路具有较强的抗杂散电容的性能。
进一步地，所述电荷放大器由运算放大器U1、电容Cf、电阻Rf和受控开关S3构成。
进一步地，所述采样保持器1由受控开关S4和运算放大器U2构成。
进一步地，所述采样保持器2由受控开关S5和运算放大器U3构成。
进一步地，所述受控开关S1～S5是可被逻辑信号控制的电子开关，可实现对信号链路关断或者打开；可采用一个NMOS管和一个PMOS管并联组成一种三稳态电路，或采用低阻抗、宽带宽模拟开关。
本发明还提供了一种基于上述微小电容测量电路的微小电容具体测量方法，具体包括以下步骤：
S1、在t1时刻，断开受控开关S3，由于S3的电荷注入效应，V3点电压变为VL；t2时刻，断开受控开关S5，采样保持器2处于保持状态，输出电压保持在VL；t3时刻，断开受控开关S2，对电路产生一定的电荷注入效应；t4时刻闭合受控开关S1，给被测电容Cx施加激励电压Vin；t5时刻，断开受控开关S4，此时被测电容Cx右极板上的感应电荷量为：
Qc＝-Vin×Cx (1)；
设电荷放大器的输出电压为VH，则
Figure BDA0002281712300000031
设仪表放大器U4的差动输出为Vout，则
Figure BDA0002281712300000032
S2、在t6时刻，闭合受控开关S3，电荷放大器的输出电压为0，U2、U3均处于保持状态，输出电压分别为VH和VL；t7时刻，闭合受控开关S5，U3处于采样状态，输出电压为0；t8时刻，闭合受控开关S5，闭合受控开关S2，被测电容Cx左电极接地；t9时刻，断开受控开关S1，被测电容CX开始放电；t10时刻，闭合受控开关S4，U2和U3均处于采样状态，输出电压均为0；
S3、从t1到t10时刻，为一次测量被测电容CX的时间，t5时刻之后的电路工作状态为测量被测电容Cx的有效状态，在t5后读取Vout值，并根据Vin，Cf计算出被测电容Cx容量。
进一步地，执行步骤S1之前先使电荷放大器的输出电压为零，具体过程为：闭合受控开关S3、S5、S2、S4，断开受控开关S1。
进一步地，通过可编程逻辑，按特定时序控制受控开关S1～S5的打开或闭合以及开关时序。
具体开关时序可见附图2。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本专利设计的电容型传感器的微小电容测量电路可检测微小电容，灵敏度高，稳定性较好。
(2)本专利设计的电容型传感器的微小电容测量电路设计了等效电容电路，具有较强的抗杂散电容的性能，可以快速、精准测量电容传感器的微小电容。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明设计的电容型传感器的微小电容测量电路结构图；
图2是本发明设计的电容型传感器的微小电容测量电路中可控开关S1～S5的开关时序示意图；
图3是本发明实施例的电容型传感器的微小电容测量电路结构示意图；
图4是本发明实施例的电容型传感器的微小电容测量电路中可控开关S1～S5的开关时序示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说，没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需要说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
电容型传感器的微小电容测量电路：
如附图3所示，示意了本发明设计的电容型传感器的微小电容测量电路的一种实现方式，具体包括：充放电的激励电压源Vin；被测电容CX；运算放大器U1、电容Cf、电阻Rf和可控开关S3构成的电荷放大器；可控开关S4和运算放大器U2构成的采样保持器1；可控开关S5和运算放大器U3构成采样保持器2，仪表放大器U4。
其中U1可采用精密运放OPA340，Cf采用1000pf，Rf采用1G欧姆；U2、U3采用采样保持放大器LF398；U4是仪表放大器，采用AD620；CX为被测电容；S1，S2，S3采用模拟开关RF2103；可编程逻辑器件采用XC9536，外部采用8MHZ晶振，8MHZ时钟输入到XC9536，XC9536产生S1～S5时序，控制S1～S5开关打开或闭合。
可控开关S1～S5产生的时序如附图4。
结合附图3所示的测量电容传感器微小电容测量电路，电容检测电路工作过程如下：
S1：电路开始电容检测工作之前，可控开关S3、S5、S2、S4闭合，可控开关S1断开。由于开关S3闭合，电荷放大器U1的同相输入端和反相端″虚短″，V3点电压为0；
S2：t1时刻，可控开关S3断开，由于S3的电荷注入效应，V3点电压变为VL；
S3：t2时刻，可控开关S5断开，U3处于保持状态，输出电压保持在VL；
S4：t3时刻，可控开关S2断开，对电路产生一定的电荷注入效应；
S5：t4时刻，关闭可控开关S1，给被测电容CX加激励电压Vin，CX右极板上感应电荷量为：
Qc＝-Vin×Cx (1)；
电荷放大器的输出电压V3为：
Figure BDA0002281712300000051
U4的差动输出为：
Figure BDA0002281712300000052
t5时刻之后的电路工作状态为测量被测电容CX的有效状态，可在t5后读取Vout值，并根据Vin，Cf计算出被测电容Cx容量。
在本实施例中，Cf＝1000pf，Vin＝3.3V；如t5后Vout检测到0.1V，即被测量电容CX＝30pf。
S6：在t6时刻，可控开关S3闭合，电荷放大器的输出电压为0，U2、U3均处于保持状态，输出电压分别为VH和VL；
S7：t7时刻，可控开关S5闭合，U3处于采样状态，输出电压为0；
S8：t8时刻，可控开关S5闭合，可控开关S2闭合，被测电容CX左电极接地；
S9：t9时刻，可控开关S1断开，被测电容CX开始放电；
S10：t10时刻，可控开关S4闭合，U2和U3均处于采样状态，输出电压均为0。
从t1到t10时刻，为一次测量被测电容CX的时间，即对它的充电和放电时间，电路照此原理，可以循环工作。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微小电容测量电路，其特征在于：包括激励电压源Vin、被测电容Cx、等效电容Cas、等效电容Cbs、受控开关S1、受控开关S2、电荷放大器、采样保持器1、采样保持器2、仪表放大器U4；所述激励电压源Vin连接被测电容Cx一极，被测电容Cx另一极连接电荷放大器负反馈端。
2.根据权利要求1所述的一种微小电容测量电路，其特征在于：所述电荷放大器由运算放大器U1、电容Cf、电阻Rf和受控开关S3构成。
3.根据权利要求1所述的一种微小电容测量电路，其特征在于：所述采样保持器1由受控开关S4和运算放大器U2构成。
4.根据权利要求1所述的一种微小电容测量电路，其特征在于：所述采样保持器2由受控开关S5和运算放大器U3构成。
5.根据权利要求1～4所述的一种微小电容测量电路，其特征在于：所述受控开关S1～S5是可被逻辑信号控制的电子开关，可采用一个NMOS管和一个PMOS管并联组成一种三稳态电路，或采用低阻抗、宽带宽模拟开关。
6.一种微小电容测量方法，其特征在于：该方法基于权利要求1所述微小电容测量电路，包括以下步骤：
S1、在t1时刻，断开受控开关S3，由于S3的电荷注入效应，V3点电压变为VL；t2时刻，断开受控开关S5，采样保持器2处于保持状态，输出电压保持在VL；t3时刻，断开受控开关S2，对电路产生一定的电荷注入效应；t4时刻闭合受控开关S1，给被测电容Cx施加激励电压Vin；t5时刻，断开受控开关S4，此时被测电容Cx右极板上的感应电荷量为：
Qc＝-Vin×Cx (1)；
设电荷放大器的输出电压为VH，则
Figure FDA0002281712290000021
设仪表放大器U4的差动输出为Vout，则
Figure FDA0002281712290000022
S2、在t6时刻，闭合受控开关S3，电荷放大器的输出电压为0，U2、U3均处于保持状态，输出电压分别为VH和VL；t7时刻，闭合受控开关S5，U3处于采样状态，输出电压为0；t8时刻，闭合受控开关S5，闭合受控开关S2，被测电容Cx左电极接地；t9时刻，断开受控开关S1，被测电容CX开始放电；t10时刻，闭合受控开关S4，U2和U3均处于采样状态，输出电压均为0；
S3、从t1到t10时刻，为一次测量被测电容CX的时间，t5时刻之后的电路工作状态为测量被测电容Cx的有效状态，在t5后读取Vout值，并根据Vin，Cf计算出被测电容Cx容量。
7.根据权利要求6所述的微小电容测量方法，其特征在于：执行步骤S1之前先使电荷放大器的输出电压为零，具体过程为：闭合受控开关S3、S5、S2、S4，断开受控开关S1。
8.根据权利要求6所述的微小电容测量方法，其特征在于：通过可编程逻辑，按特定时序控制受控开关S1～S5的打开或闭合以及开关时序。
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