CN111766451A - 一种高精度电容参数测试的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度电容参数测试的系统及方法，涉及测试技术领域，包括：获取注入微弱高频信号后的被测电容的调制电压和调制电流，其中，高精度电容参数测试系统的信号注入电路用于产生微弱高频信号，高精度电容参数测试系统的检测电路用于检测检测电压和检测电流，高精度电容参数测试系统的IQ调制电路用于对检测电压和所述检测电流进行IQ调制输出调制电压和所述调制电流；根据调制电压和调制电流，确定被测电容的电容值。本发明提供微弱高频信号注入的方法可以实现电容在线测量，简化了测试环境搭建过程，同时，对检测电流和检测电压进行同步IQ变换，利用其零频信息进行信息获取，实现高精度和高速度兼备的电容测量。

Description

一种高精度电容参数测试的系统及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体而言，涉及一种高精度电容参数测试的系统及方法。

背景技术

电容广泛应用于工业、民用、商用等领域，而电容值的大小能有效反映着系统的性能，与此同时，电容量的变化可以较灵敏地反映出某些局部缺陷，比如绝缘是否受潮劣化、元件是否击穿断线、是否漏油等。因而，电容值的测量是确认系统可靠性的关键技术。

现有技术中，电容参数的测试主要为在断电情况下将被测电容拆除，再向被测电容施加特定频率的信号测出电容值。然而，这种方式测试过程耗时复杂，除此之外，其参数信息获取的方式单一，存在测量不准确的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为达上述目的，本发明提供了一种高精度电容参数测试的系统，其包括：信号注入电路、检测电路、IQ调制电路和数据处理电路，其中，所述信号注入电路分别用于电连接至被测电容和所述IQ调制电路，以向所述被测电容注入微弱高频信号；所述检测电路分别用于电连接至所述被测电容和所述IQ调制电路，以检测所述被测电容的检测电压和检测电流，并将所述检测电压和所述检测电流输入至所述IQ调制电路，所述IQ调制电路输出相应的调制电压和调制电流；所述IQ调制电路电连接至所述数据处理电路，以处理所述调制电压和所述调制电流。

由此，本发明通过设置信号注入电路、检测电路、IQ调制电路和数据处理电路的相互连接，使信号注入电路向被测电容注入微弱高频信号，同时传递一部分信号至IQ调制电路，检测电路测试被测电容在注入信号影响下的检测电压、检测电流，并将检测电压和检测电流输入至IQ调制电路。IQ调制电路根据信号注入电路传递的信号、检测电路传递的信号进行调制，并将得到的调制信号输入至数据处理电路，数据处理电路对调制信号进行相应的数据处理得到最终的电容值。本发明通过向被测电容注入信号，利用IQ调制电路根据多方面的信号进行相应的调制，保证高精度和高速度兼备的电容测量。

进一步地，所述信号注入电路包括微弱高频信号注入器和正弦波发生器，所述IQ调制电路包括移相器，所述微弱高频信号注入器的一端用于电连接至所述被测电容，所述微弱高频信号注入器的另一端用于电连接至所述正弦波发生器的一端，所述正弦波发生器的另一端用于电连接至所述移相器，以调制所接收的信号的相位。

由此，信号注入电路利用微弱高频信号器，将微弱高频信号注入至被测电容，利用正弦波发生器，将一部分信号注入至IQ调制电路，达到利用多方面信号准确测量的目的。

进一步地，所述检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，其中：

所述电压检测电路包括电压检测器和第一带通滤波器，所述电压检测器用于电连接至所述被测电容的两端，所述电压检测器用于电连接至所述第一带通滤波器，所述第一带通滤波器连接至所述IQ调制电路；

所述电流检测电路包括电流检测器和第二带通滤波器，所述电流检测器用于电连接至所述被测电容，所述电流检测器用于电连接至所述第二带通滤波器，所述第二带通滤波器连接至所述IQ调制电路。

由此，通过电压检测器和第一带通滤波器获取被测电容的检测电压，通过电流检测器和第二带通滤波器获取被测电容的检测电流，并将检测电压和检测电流输入至IQ调制电路。

进一步地，所述IQ调制电路包括I支路电压乘法器、Q支路电压乘法器、I支路电流乘法器和Q支路电流乘法器，所述第一带通滤波器分别电连接至所述I支路电压乘法器和所述Q支路电压乘法器，所述第二带通滤波器分别电连接至所述I支路电流乘法器和所述Q支路电流乘法器。

由此，第一带通滤波器分别电连接至I支路电压乘法器和Q支路电压乘法器，有效地将检测电压输入至IQ调制电路，利用IQ调制电路中的I支路电压乘法器和Q支路电压乘法器对检测电压进行高效的IQ调制。第二带通滤波器分别电连接至I支路电流乘法器和Q支路电流乘法器，有效地将检测电流输入至IQ调制电路，利用IQ调制电路中的I支路电流乘法器和Q支路电流乘法器对检测电流进行高效的IQ调制。

进一步地，所述IQ调制电路包括移相器、多个乘法器以及多个低通滤波器，所述移相器电连接至所述信号注入电路，同时所述移相器分别电连接至多个所述乘法器，每个所述乘法器电连接至对应的所述低通滤波器。

由此，在IQ调制电路中，设置移相器进行有效的相位的调节，设置多个乘法器进行相应的IQ调制，设置多个低通滤波器截取低频段的有效信号，保证IQ调制的有效性。

进一步地，多个所述乘法器分别包括I支路电压乘法器、Q支路电压乘法器、I支路电流乘法器和Q支路电流乘法器，其中：

所述I支路电压乘法器分别电连接至所述移相器和所述第一带通滤波器，所述移相器将超前电压输入至所述I支路电压乘法器，所述超前电压为所述移相器将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，所述标准信号为所述正弦波发生器产生的信号，所述第一带通滤波器将所述检测电压输入至所述I支路电压乘法器；

所述Q支路电压乘法器分别电连接至所述移相器和所述第一带通滤波器，所述移相器将滞后电压输入至所述Q支路电压乘法器，所述滞后电压为所述移相器将所述标准信号的电压相位滞后所述预设电压相位后得到的电压，所述第一带通滤波器将所述检测电压输入至所述Q支路电压乘法器；

所述I支路电流乘法器分别电连接至所述移相器和所述第二带通滤波器，所述移相器将超前电流输入至所述I支路电流乘法器，所述超前电流为所述移相器将所述标准信号的电流相位超前预设电流相位得到的电流，所述第二带通滤波器的输出为所述检测电流，所述第二带通滤波器将所述检测电流输入至所述I支路电流乘法器；

所述Q支路电流乘法器分别电连接至所述移相器和所述第二带通滤波器，所述移相器将滞后电流输入至所述Q支路电流乘法器，所述滞后电流为所述移相器将所述标准信号的电流相位滞后所述预设电流相位后得到的电流，所述第二带通滤波器将所述检测电流输入至所述Q支路电流乘法器。

由此，设置I支路电压乘法器、Q支路电压乘法器对检测电压进行高效的IQ调制。设置I支路电流乘法器、Q支路电流乘法器对检测电流进行高效的IQ调制。

进一步地，所述数据处理电路包括高精度AD变换器和数据处理器，所述高精度AD变换器分别电连接至所述IQ调制电路和所述数据处理器，所述数据处理器用于确定所述被测电容的电容值。

由此，设置高精度AD变换器和数据处理器，用于对调制信号进行准确的数据处理，得到对应的电容值。

为达到上述目的，本发明第二目的是提供了一种高精度电容参数测试的方法，用于控制上述的高精度电容参数测试的系统，其包括：

获取注入微弱高频信号后的被测电容的调制电压和调制电流，其中，所述高精度电容参数测试系统的信号注入电路用于产生所述微弱高频信号，所述高精度电容参数测试系统的检测电路用于检测检测电压和检测电流，所述高精度电容参数测试系统的IQ调制电路用于对所述检测电压和所述检测电流进行IQ调制输出所述调制电压和所述调制电流；

根据所述调制电压和所述调制电流，确定所述被测电容的电容值。

本发明基于上述的高精度电容参数测试的系统，提出一种高精度电容参数测试的方法，该控制方法通过向被测电容注入微弱高频信号，利用IQ调制电路根据多方面的信号，对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分考虑了被测电容在微弱高频信号下的影响，并有效利用的IQ调制，实现了高精度和高速度兼备的电容测量。

进一步地，所述获取注入微弱高频信号后的被测电容的调制电压和调制电流的步骤中，所述微弱高频信号的注入包括：

所述信号注入电路的正弦波发生器产生所述标准信号；

所述信号注入电路的微弱高频信号注入器对所述标准信号进行信号处理生成所述微弱高频信号；

所述信号注入电路将所述微弱高频信号输入至所述被测电容，用于使所述被测电容上叠加所述微弱高频信号。

由此，将微弱高频信号输入至被测电容，使被测电容上叠加微弱高频信号，将标准信号输入至移相器，使移相器对标准信号进行相位调制后再进行IQ调制。

进一步地，所述获取注入微弱高频信号后的被测电容的调制电压和调制电流的步骤中，所述检测电压和所述检测电流的确定包括如下步骤：

所述被测电容在注入所述微弱高频信号后生成初始电压和初始电流；

检测电路中的第一带通滤波器对所述初始电压进行带通滤波，输出所述检测电压；

检测电路中的第二带通滤波器对所述初始电流进行带通滤波，输出所述检测电流。

由此，利用带通滤波获取有效的检测电压和检测电流，过滤掉多余的信号。

进一步地，所述调制电压包括I支路电压和Q支路电压，所述调制电流包括I支路电流和Q支路电流，所述确定调制电压和调制电流包括：

I支路电压乘法器将超前电压和所述检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述I支路电压，其中，所述超前电压为将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，所述标准信号为由所述信号注入电路的正弦波发生器产生的信号；

Q支路电压乘法器将滞后电压和所述检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述Q支路电压，其中，所述滞后电压为将所述标准信号的电压相位滞后所述预设电压相位后得到的电压；

I支路电流乘法器将超前电流和所述检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述I支路电流，其中，所述超前电流为将所述标准信号的电流相位超前预设电流相位后得到的电流；

Q支路电流乘法器将滞后电流和所述检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述Q支路电流，其中，所述滞后电流为将所述标准信号的电流相位滞后所述预设电流相位后得到的电流。

由此，将超前电压和检测电压相乘后通过低通滤波器，得到有效的I支路电压，将滞后电压和检测电压相乘后通过所述低通滤波器，得到有效的Q支路电压。将超前电流和检测电流相乘后通过低通滤波器，得到有效的I支路电流，将滞后电流和检测电流相乘后通过低通滤波器，得到有效的Q支路电流。

进一步地，所述调制电压包括I支路电压和Q支路电压，所述调制电流包括I支路电流和Q支路电流，所述根据所述调制电压和所述调制电流，确定所述被测电容的电容值包括：

根据所述I支路电压、所述Q支路电压、所述I支路电流和所述Q支路电流，由并联模型确定所述电容值。

由此，根据I支路电压、Q支路电压、I支路电流和Q支路电流，通过并联模型有效计算出电容值。

附图说明

图1所示为本发明实施例的高精度电容参数测试系统的结构示意图；

图2所示为本发明实施例的高精度电容参数测试系统的具体结构示意图；

图3所示为本发明实施例的高精度电容参数测试的方法的流程示意图；

图4所示为本发明实施例的注入微弱高频信号的流程示意图；

图5所示为本发明实施例的确定检测电压和检测电流的流程示意图；

图6所示为本发明实施例的确定调制电压的流程示意图；

图7所示为本发明实施例的确定调制电流的流程示意图；

图8所示为本发明实施例的高精度电容参数测试装置的结构示意图。

附图标记：

1-信号注入电路，101-微弱高频信号注入器，102-正弦波发生器，2-检测电路，201-电压检测电路，2011-电压检测器，2012-第一带通滤波器，202-电流检测电路，2021-电流检测器，2022-第二带通滤波器，3-IQ调制电路，301-移相器，302-I支路电压乘法器，303-Q支路电压乘法器，304-I支路电流乘法器，305-Q支路电流乘法器，306-第一低通滤波器，307-第二低通滤波器，308-第三低通滤波器，309-第四低通滤波器，4-数据处理电路，401-高精度AD变换器，402-数据处理器，5-被测电容。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

现有技术中，电容参数的测试主要为在断电情况下将被测电容拆除，再向被测电容施加特定频率的信号测出电容值。然而，这种方式由于应用目的和测试原理(充放电、双积分采样)的限制，测试过程耗时复杂，测试速度不高，无法实现在线测量。除此之外，电容值是一个缓变或者不变的参数，在这种测试方法中，参数信息获取的方式单一，存在测量不准确的风险。

本发明第一方面的实施例提供了一种高精度电容参数测试的系统。图1所示为本发明实施例的高精度电容参数测试系统的结构示意图，包括信号注入电路1、检测电路2、IQ调制电路3和数据处理电路4，其中，信号注入电路1分别电连接至被测电容5和IQ调制电路3，信号注入电路1包括微弱高频信号注入器101，微弱高频信号注入器101电连接至被测电容5，用于向被测电容5注入微弱高频信号；检测电路2分别电连接至被测电容5和IQ调制电路3，用于检测被测电容5的检测电压和检测电流，并将检测电压和检测电流输入至IQ调制电路3，IQ调制电路3输出相应的调制电压和调制电流；IQ调制电路3电连接至数据处理电路4。由此，本发明通过设置信号注入电路1、检测电路2、IQ调制电路3和数据处理电路4的相互连接，使信号注入电路1向被测电容5注入微弱高频信号，同时传递一部分信号至IQ调制电路3，检测电路2测试被测电容5在注入信号影响下的检测电压、检测电流，并将检测电压和检测电流输入至IQ调制电路3。IQ调制电路3根据信号注入电路1传递的信号、检测电路2传递的信号进行调制，并将得到的调制信号输入至数据处理电路4，数据处理电路4对调制信号进行相应的数据处理得到最终的电容值。本发明通过向被测电容5注入信号，不需要长时间积分，也不需要过零点检测，实现高速度的电容在线测量，同时利用IQ调制电路3根据多方面的信号进行相应的调制，抵抗了多方面的干扰，综上，保证了高精度和高速度兼备的电容测量。

可选地，结合图2来看，图2所示为本发明实施例的高精度电容参数测试系统的具体结构示意图，其中，信号注入电路1还包括正弦波发生器102，IQ调制电路3包括移相器301，微弱高频信号注入器101的一端用于电连接至被测电容5，微弱高频信号注入器101的另一端用于电连接至正弦波发生器102的一端，正弦波发生器102的另一端用于电连接至移相器301，其中，移相器301在IQ调制电路3中，用于调制信号相位。由此，信号注入电路1利用微弱高频信号器，将微弱高频信号注入至被测电容5，利用正弦波发生器102，将一部分信号注入至IQ调制电路3，达到利用多方面信号准确测量的目的。

在本发明实施例中，微弱高频信号注入器101生成的微弱高频信号采用高频跟随器驱动隔离变压器，隔离变压器的输出端串入被测电容5的回路中，从而与其他电路的电压信号实现叠加。同时，正弦波发生器102的另一分路送入移相器得到IQ载波信号，保证向被测电容5注入有效微弱高频信号。采用隔离变压器注入方式可以实现电气隔离、阻抗变换、低直流压降等功能，与电阻注入和电容注入的方式比较，可以实现更高隔离电压的电器隔离，并且其阻抗可以通过调整变压器设计来实现，另外，隔离变压器隔绝了直流分量的输出和反向输入，因此对信号只进行交流信号的注入，对正弦波发生装置的直流偏置要求降低，并对正弦波发生装置有一定保护作用(不会因为偏置脉冲注入的反向耦合导致正弦波发生装置的过压击穿)，该部分频率即微弱高频信号通过隔离变压器耦合输出的信号。

可选地，结合图2来看，检测电路2包括电压检测电路201和电流检测电路202，其中，电压检测电路201包括电压检测器2011和第一带通滤波器2012，电压检测器2011电连接至被测电容5的两端，电压检测器2011电连接至第一带通滤波器2012，第一带通滤波器2012连接至IQ调制电路3。由此，设置电压检测电路201准确地检测被测电容5的电压，并截取有效部分输入至IQ调制电路3。

可选地，结合图2来看，第一带通滤波器2012分别电连接至I支路电压乘法器302和Q支路电压乘法器303，其中，I支路电压乘法器302和Q支路电压乘法器303为IQ调制电路3中的乘法器。由此，第一带通滤波器2012分别电连接至I支路电压乘法器302和Q支路电压乘法器303，有效地将检测电压输入至IQ调制电路3，利用IQ调制电路3中的I支路电压乘法器302和Q支路电压乘法器303对检测电压进行高效的IQ调制。

可选地，结合图2来看，电流检测电路202包括电流检测器2021和第二带通滤波器2022，电流检测器2021电连接至被测电容5，电流检测器2021电连接至第二带通滤波器2022，第二带通滤波器2022连接至IQ调制电路3。由此，通过电流检测器2021和第二带通滤波器2022获取被测电容5的检测电流，并截取有效部分，将检测电流输入至IQ调制电路3。

可选地，结合图2来看，第二带通滤波器2022分别电连接至I支路电流乘法器304和Q支路电流乘法器305，其中，I支路电流乘法器304和Q支路电流乘法器305为IQ调制电路3中的乘法器。由此，第二带通滤波器2022分别电连接至I支路电流乘法器304和Q支路电流乘法器305，有效地将检测电流输入至IQ调制电路3，利用IQ调制电路3中的I支路电流乘法器304和Q支路电流乘法器305对检测电流进行高效的IQ调制。

可选地，结合图2来看，IQ调制电路3包括移相器301、多个乘法器以及多个低通滤波器，移相器301电连接至信号注入电路1，同时移相器301分别电连接至多个乘法器，每个乘法器电连接至对应的低通滤波器。由此，在IQ调制电路3中，设置移相器301进行有效的相位的调节，设置多个乘法器进行相应的IQ调制，设置多个低通滤波器截取低频段的有效信号，保证IQ调制的有效性。

可选地，结合图2来看，多个乘法器包括I支路电压乘法器302，其中：I支路电压乘法器302分别电连接至移相器301、第一带通滤波器2012，移相器301将超前电压输入至I支路电压乘法器302，超前电压为移相器301将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，标准信号为信号注入电路1中正弦波发生器102产生的信号，第一带通滤波器2012在检测电路2中，第一带通滤波器2012的输出为检测电压。在本发明实施例中，预设电压相位优选为45°，以此进行适当的移相调节。由此，设置I支路电压乘法器302对检测电压进行高效的IQ调制，将超前电压和检测电压相乘输出。

可选地，结合图2来看，I支路电压乘法器302连接对应的第一低通滤波器306，以此对I支路电压乘法器302输出的调制电压进行有效滤波，提取低频部分信号。

可选地，结合图2来看，多个乘法器包括Q支路电压乘法器303，Q支路电压乘法器303分别电连接至移相器301、第一带通滤波器2012，移相器301将滞后电压输入至Q支路电压乘法器303，滞后电压为移相器301将标准信号的电压相位滞后预设电压相位后得到的电压。在本发明实施例中，预设电压相位优选为45°，以此进行适当的移相调节。由此，设置Q支路电压乘法器303对检测电压进行高效的IQ调制，将滞后电压和检测电压相乘输出。

可选地，结合图2来看，Q支路电压乘法器303连接对应的第二低通滤波器307，以此对Q支路电压乘法器303输出的调制电压进行有效滤波，提取低频部分信号。

可选地，结合图2来看，多个乘法器包括I支路电流乘法器304、其中：I支路电流乘法器304分别电连接至移相器301、第二带通滤波器2022，移相器301将超前电流输入至I支路电流乘法器304，超前电流为移相器301将标准信号的电流相位超前预设电流相位得到的电流，标准信号为信号注入电路1中正弦波发生器102产生的信号；第二带通滤波器2022在检测电路2中，第二带通滤波器2022的输出为检测电流。在本发明实施例中，预设电流相位优选为45°，以此进行适当的移相调节。由此，设置I支路电流乘法器304对检测电流进行高效的IQ调制，将超前电流和检测电流相乘输出。

可选地，结合图2来看，I支路电流乘法器304连接对应的第三低通滤波器308，以此对I支路电流乘法器304输出的调制电压进行有效滤波，提取低频部分信号。

可选地，结合图2来看，多个乘法器包括Q支路电流乘法器305，Q支路电流乘法器305分别电连接至移相器301、第二带通滤波器2022，移相器301将滞后电流输入至Q支路电流乘法器305，滞后电流为移相器301将标准信号的电流相位滞后预设电流相位后得到的电流。在本发明实施例中，预设电流相位优选为45°，以此进行适当的移相调节。由此，设置Q支路电流乘法器305对检测电流进行高效的IQ调制，将滞后电流和检测电流相乘输出。

可选地，结合图2来看，Q支路电流乘法器305连接对应的第四低通滤波器309，以此对Q支路电流乘法器305输出的调制电流进行有效滤波，提取低频部分信号。

可选地，数据处理电路4包括高精度AD变换器和数据处理器，高精度AD变换器用于数字采样，数据处理器用于确定电容值。由此，针对高频的注入信号，如果采用数字直接采样，必须使用高速的AD转换器，而且为了达到电容测量的精度，AD转换器的速度还需要进一步增加，进而增加了整个系统的复杂度。采用IQ调制后，高频信号被转换为零频信号，因此可以采用高精度低速AD转换器即可实现，从而降低了系统复杂度。采用乘法器进行同步IQ变换，利用其零频信息而不是高频信息进行信息获取，后端AD转换器不需要采样高速AD，而是高精度变换器，解决了高速和高精度的矛盾，提高了测试精度。设置高精度AD变换器和数据处理器，用于对调制信号进行准确的数据处理，得到对应的电容值。

本发明提供的一种高精度电容参数测试的系统通过向被测电容5注入微弱高频信号，利用IQ调制电路3根据多方面的信号，对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分考虑了被测电容5在微弱高频信号下的影响，并有效利用的IQ调制，实现了高精度和高速度兼备的电容测量。

本发明第二方面的实施例提供了一种高精度电容参数测试的方法，基于上述的高精度电容参数测试的系统。结合图3来看，图3所示为本发明实施例的高精度电容参数测试的方法的流程示意图，包括步骤S1至S3。

在步骤S1中，获取注入微弱高频信号后的被测电容5的调制电压和调制电流，其中，高精度电容参数测试系统的信号注入电路1用于产生微弱高频信号，高精度电容参数测试系统的检测电路2用于检测检测电压和检测电流，高精度电容参数测试系统的IQ调制电路3用于对检测电压和检测电流进行IQ调制输出调制电压和调制电流。通过向被测电容5注入微弱高频信号，使被测电容5上叠加了该部分频率的信号，综合了微弱高频信息，方便后续的调制。分别对检测电压和检测电流进行IQ调制，确定调制电压和调制电流。由此，利用IQ调制电路3对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分有效利用的IQ调制。

在步骤S2中，根据调制电压和调制电流，确定被测电容5的电容值。本发明基于上述的高精度电容参数测试的系统，提出一种高精度电容参数测试的方法，该控制方法通过向被测电容5注入微弱高频信号，利用IQ调制电路3根据多方面的信号，对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分考虑了被测电容5在微弱高频信号下的影响，并有效利用的IQ调制，实现了高精度和高速度兼备的电容测量。

图4所示为本发明实施例的注入微弱高频信号的流程示意图，包括步骤S11至S13。

在步骤S11中，信号注入电路1的正弦波发生器102产生标准信号。由此，以便后续通过对标准信号进行信号处理生成微弱高频信号。

在步骤S12中，信号注入电路1的微弱高频信号注入器101对标准信号进行信号处理生成微弱高频信号。其中，信号注入电路1的正弦波发生器102产生标准信号，信号注入电路1的微弱高频信号注入器101对标准信号进行信号处理生成微弱高频信号。在本发明实施例中，微弱高频信号采用高频跟随器驱动隔离变压器，隔离变压器的输出端串入被测电容5的回路中，从而与其他电路的电压信号实现叠加。同时，标准信号的另一分路送入移相器得到IQ载波信号，保证向被测电容5注入有效微弱高频信号。

在步骤S13中，信号注入电路1将微弱高频信号输入至被测电容5，用于使被测电容5上叠加微弱高频信号。在本发明实施例中，将微弱高频信号输入至被测电容5，从而与其他电路的电压信号实现叠加，保证有效的信号注入。在本发明实施例中，同时标准信号输入至移相器301，移相器301用于调制标准信号的相位，其中，移相器301在IQ调制电路3中。由此，将微弱高频信号输入至被测电容5，使被测电容5上叠加微弱高频信号，将标准信号输入至移相器301，使移相器301对标准信号进行相位调制后再进行IQ调制。

图5所示为本发明实施例的确定检测电压和检测电流的流程示意图，包括步骤S14至S16。

在步骤S14中，被测电容5在注入微弱高频信号后生成初始电压和初始电流。由此，首先有效获取被测电容5的初始电压和初始电流，以便后续的判断。

在步骤S15中，检测电路2中的第一带通滤波器2012对初始电压进行带通滤波，输出检测电压。通过带通滤波，保留有效频段内的电压信号。

在步骤S16中，检测电路2中的第二带通滤波器2022对初始电流进行带通滤波，输出检测电流。由此，利用带通滤波获取有效的检测电压和检测电流，过滤掉多余的信号。

图6所示为本发明实施例的确定调制电压的流程示意图，包括步骤S17至S18。

在步骤S17中，I支路电压乘法器302将超前电压和检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出I支路电压，其中，超前电压为将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，标准信号为由信号注入电路1的正弦波发生器102产生的信号。由此，超前电压和检测电压相位不同，经过乘法器后，得到相应的零频分量和二倍频分量，得到有效的I支路电压。

在步骤S18中，Q支路电压乘法器303将滞后电压和检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出Q支路电压，其中，滞后电压为标准信号的电压相位滞后预设电压相位后得到的电压。由此，滞后电压和检测电压相位不同，经过乘法器后，得到相应的零频分量和二倍频分量，将滞后电压和检测电压相乘后通过低通滤波器，得到有效的Q支路电压。

在本发明实施例中，超前和滞后的预设电压相位相同，因为两路经过了相同的电路结构，因此，输出的两路正交信号系统相移参数相同，可以降低电容测量的静态误差。

图7所示为本发明实施例的确定调制电流的流程示意图，包括步骤S19至S110。

在步骤S19中，I支路电流乘法器304将超前电流和检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出I支路电流，其中，超前电流为将标准信号的电流相位超前预设电流相位后得到的电流。由此，超前电流和检测电流相位不同，经过乘法器后，得到相应的零频分量和二倍频分量，得到有效的I支路电流。

在步骤S110中，Q支路电流乘法器305将滞后电流和检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出Q支路电流，其中，滞后电流为将标准信号的电流相位滞后预设电流相位后得到的电流。由此，滞后电流和检测电流相位不同，经过乘法器后，得到相应的零频分量和二倍频分量，将滞后电流和检测电流相乘后通过低通滤波器，得到有效的Q支路电压。

在本发明实施例中，超前和滞后的预设电流相位相同，因为两路经过了相同的电路结构，因此，输出的两路正交信号系统相移参数相同，可以降低电容测量的静态误差。

可选地，上述根据调制电压和调制电流，确定被测电容5的电容值包括：根据I支路电压、Q支路电压、I支路电流和Q支路电流，由并联模型确定电容值。由此，根据I支路电压、Q支路电压、I支路电流和Q支路电流，通过并联模型有效计算出电容值。

可选地，低通滤波器的截止频率设置在一倍频，使二倍频信号被滤除，从而得到零频信号，即式中所述电压信号和电流信号。

在本发明一个具体的实施例中，结合图2来看。预设电压相位设为

预设电流相位设为

正弦波发生装置产生标准的信号V_R＝ACos(ωt)，其中，A是信号幅度，取值小于26mV，ω＝2πf，f是频率，其取值大于5MHz。经过微弱高频信号注入器注入到被测电容上，被测电容上叠加了该部分频率的信号，因此，检测电路2中电压检测器2011检测的电压表示为V＝A₁Cos(ωt+θ₁)，电流检测器2021检测的电流表示为I＝A₂Cos(ωt+θ₂)，其中，A₁表示电压前置电路放大倍数，A₂表示电流前置电路放大倍数，θ₁表示电压信号相位偏移，θ₂表示电流信号相位偏移。上述信号经过带通滤波器滤波后，分别进入I、Q支路乘法器，移相后的参考信号进行调制。

其中，以电压为例，I支路电压乘法器302将超前电压和检测电压相乘，输出信号表达式为：

经过第一低通滤波器306后，输出信号表达式为：

Q支路电压乘法器303将滞后电压和检测电压相乘，输出信号表达式为：

经过第二低通滤波器307后，输出信号表达式为：

同理可以得到先经过I支路电流乘法器304，再经过第三低通滤波器308后，输出的电流信号表达式为：

同理可以得到先经过Q支路电流乘法器305，再经过第四低通滤波器309后，输出的电流信号表达式为：

由式(3)、式(4)、式(5)和式(6)可以求出AA₁、AA₂、θ₁、θ₂。最后根据并联模型，电容表达式为模型虚部，表达式为：

由于已经求出AA₁、AA₂、θ₁、θ₂，将其带入式(7)，即可得到电容值。

本发明第二方面的实施例提供的一种高精度电容参数测试的方法，通过向被测电容5注入微弱高频信号，利用IQ调制电路3根据多方面的信号，对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分考虑了被测电容5在微弱高频信号下的影响，并有效利用的IQ调制，实现了高精度和高速度兼备的电容测量。

本发明第三方面的实施例提供了一种高精度电容参数测试的装置，结合图8来看，图8所示为本发明实施例的高精度电容参数测试装置800的结构示意图，包括：

获取单元801：用于获取注入微弱高频信号后的被测电容5的调制电压和调制电流，其中，高精度电容参数测试系统的信号注入电路1用于产生微弱高频信号，高精度电容参数测试系统的检测电路2用于检测检测电压和检测电流，高精度电容参数测试系统的IQ调制电路3用于对检测电压和检测电流进行IQ调制输出调制电压和调制电流。通过向被测电容5注入微弱高频信号，使被测电容5上叠加了该部分频率的信号，综合了微弱高频信息，方便后续的调制。分别对检测电压和检测电流进行IQ调制，确定调制电压和调制电流。由此，利用IQ调制电路3对电压和电流进行相应的调制，由调制电压和调制电流确定电容，充分有效利用的IQ调制；

处理单元802：用于根据调制电压和调制电流，确定被测电容5的电容值。

本发明实施例提供的高精度电容参数测试的装置与上述高精度电容参数测试的方法相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。

本发明第四方面的实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述的高精度电容参数测试的方法。计算机可读存储介质与上述的高精度电容参数测试的方法相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种高精度电容参数测试系统，其特征在于，包括：信号注入电路(1)、检测电路(2)、IQ调制电路(3)和数据处理电路(4)，其中，所述信号注入电路(1)分别用于电连接至被测电容(5)和所述IQ调制电路(3)，以向所述被测电容(5)注入微弱高频信号；所述检测电路(2)分别用于电连接至所述被测电容(5)和所述IQ调制电路(3)，以检测所述被测电容(5)的检测电压和检测电流，并将所述检测电压和所述检测电流输入至所述IQ调制电路(3)，所述IQ调制电路(3)输出相应的调制电压和调制电流；所述IQ调制电路(3)电连接至所述数据处理电路(4)，以处理所述调制电压和所述调制电流。

2.根据权利要求1所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，所述信号注入电路(1)包括微弱高频信号注入器(101)和正弦波发生器(102)，所述IQ调制电路(3)包括移相器(301)，所述微弱高频信号注入器(101)的一端用于电连接至所述被测电容(5)，所述微弱高频信号注入器(101)的另一端用于电连接至所述正弦波发生器(102)的一端，所述正弦波发生器(102)的另一端用于电连接至所述移相器(301)，以调制所接收的信号的相位。

3.根据权利要求2所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，所述检测电路(2)包括电压检测电路(201)和电流检测电路(202)，其中：

所述电压检测电路(201)包括电压检测器(2011)和第一带通滤波器(2012)，所述电压检测器(2011)用于电连接至所述被测电容(5)的两端，所述电压检测器(2011)还用于电连接至所述第一带通滤波器(2012)，所述第一带通滤波器(2012)连接至所述IQ调制电路(3)；

所述电流检测电路(202)包括电流检测器(2021)和第二带通滤波器(2022)，所述电流检测器(2021)用于电连接至所述被测电容(5)，所述电流检测器(2021)还用于电连接至所述第二带通滤波器(2022)，所述第二带通滤波器(2022)连接至所述IQ调制电路(3)。

4.根据权利要求3所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，所述IQ调制电路(3)还包括I支路电压乘法器(302)、Q支路电压乘法器(303)、I支路电流乘法器(304)和Q支路电流乘法器(305)，所述第一带通滤波器(2012)分别电连接至所述I支路电压乘法器(302)和所述Q支路电压乘法器(303)，所述第二带通滤波器(2022)分别电连接至所述I支路电流乘法器(304)和所述Q支路电流乘法器(305)。

5.根据权利要求3所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，所述IQ调制电路(3)还包括多个乘法器以及多个低通滤波器，所述移相器(301)电连接至所述信号注入电路(1)，同时所述移相器(301)分别电连接至多个所述乘法器，每个所述乘法器电连接至对应的所述低通滤波器。

6.根据权利要求5所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，多个所述乘法器分别包括I支路电压乘法器(302)、Q支路电压乘法器(303)、I支路电流乘法器(304)和Q支路电流乘法器(305)，其中：

所述I支路电压乘法器(302)分别电连接至所述移相器(301)和所述第一带通滤波器(2012)，所述移相器(301)将超前电压输入至所述I支路电压乘法器(302)，所述超前电压为所述移相器(301)将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，所述标准信号为所述正弦波发生器(102)产生的信号，所述第一带通滤波器(2012)将所述检测电压输入至所述I支路电压乘法器(302)；

所述Q支路电压乘法器(303)分别电连接至所述移相器(301)和所述第一带通滤波器(2012)，所述移相器(301)将滞后电压输入至所述Q支路电压乘法器(303)，所述滞后电压为所述移相器(301)将所述标准信号的电压相位滞后所述预设电压相位后得到的电压，所述第一带通滤波器(2012)将所述检测电压输入至所述Q支路电压乘法器(303)；

所述I支路电流乘法器(304)分别电连接至所述移相器(301)和所述第二带通滤波器(2022)，所述移相器(301)将超前电流输入至所述I支路电流乘法器(304)，所述超前电流为所述移相器(301)将所述标准信号的电流相位超前预设电流相位得到的电流，所述第二带通滤波器(2022)将所述检测电流输入至所述I支路电流乘法器(304)；

所述Q支路电流乘法器(305)分别电连接至所述移相器(301)和所述第二带通滤波器(2022)，所述移相器(301)将滞后电流输入至所述Q支路电流乘法器(305)，所述滞后电流为所述移相器(301)将所述标准信号的电流相位滞后所述预设电流相位后得到的电流，所述第二带通滤波器(2022)将所述检测电流输入至所述Q支路电流乘法器(305)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高精度电容参数测试的系统，其特征在于，所述数据处理电路(4)包括高精度AD变换器(401)和数据处理器(402)，所述高精度AD变换器(401)分别电连接至所述IQ调制电路(3)和所述数据处理器(402)，所述数据处理器(402)用于确定所述被测电容(5)的电容值。

8.一种高精度电容参数测试方法，基于权利要求1-7中任一项所述的高精度电容参数测试系统，其特征在于，包括如下步骤：

获取注入微弱高频信号后的被测电容(5)的调制电压和调制电流，其中，所述高精度电容参数测试系统的信号注入电路(1)用于产生所述微弱高频信号，所述高精度电容参数测试系统的检测电路(2)用于检测检测电压和检测电流，所述高精度电容参数测试系统的IQ调制电路(3)用于对所述检测电压和所述检测电流进行IQ调制输出所述调制电压和所述调制电流；

根据所述调制电压和所述调制电流，确定所述被测电容(5)的电容值。

9.根据权利要求8所述的高精度电容参数测试的方法，其特征在于，所述获取注入微弱高频信号后的被测电容(5)的调制电压和调制电流的步骤中，所述微弱高频信号的注入包括：

所述信号注入电路(1)的正弦波发生器(102)产生所述标准信号；

所述信号注入电路(1)的微弱高频信号注入器(101)对所述标准信号进行信号处理生成所述微弱高频信号；

所述信号注入电路(1)将所述微弱高频信号输入至所述被测电容(5)，用于在所述被测电容(5)上叠加所述微弱高频信号。

10.根据权利要求8所述的高精度电容参数测试的方法，其特征在于，所述获取注入微弱高频信号后的被测电容(5)的调制电压和调制电流的步骤中，所述检测电压和所述检测电流的确定包括如下步骤：

所述被测电容(5)在注入所述微弱高频信号后生成初始电压和初始电流；

检测电路(2)中的第一带通滤波器(2012)对所述初始电压进行带通滤波，输出所述检测电压；

检测电路(2)中的第二带通滤波器(2022)对所述初始电流进行带通滤波，输出所述检测电流。

11.根据权利要求8所述的高精度电容参数测试的方法，其特征在于，所述调制电压包括I支路电压和Q支路电压，所述调制电流包括I支路电流和Q支路电流，所述确定调制电压和调制电流包括：

I支路电压乘法器(302)将超前电压和所述检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述I支路电压，其中，所述超前电压为将标准信号的电压相位超前预设电压相位后得到的电压，所述标准信号为由所述信号注入电路(1)的正弦波发生器(102)产生的信号；

Q支路电压乘法器(303)将滞后电压和所述检测电压相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述Q支路电压，其中，所述滞后电压为将所述标准信号的电压相位滞后所述预设电压相位后得到的电压；

I支路电流乘法器(304)将超前电流和所述检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述I支路电流，其中，所述超前电流为将所述标准信号的电流相位超前预设电流相位后得到的电流；

Q支路电流乘法器(305)将滞后电流和所述检测电流相乘后输入至对应的低通滤波器，输出所述Q支路电流，其中，所述滞后电流为将所述标准信号的电流相位滞后所述预设电流相位后得到的电流。

12.根据权利要求8中所述的高精度电容参数测试的方法，其特征在于，所述调制电压包括I支路电压和Q支路电压，所述调制电流包括I支路电流和Q支路电流，所述根据所述调制电压和所述调制电流，确定所述被测电容(5)的电容值包括：

根据所述I支路电压、所述Q支路电压、所述I支路电流和所述Q支路电流，由并联模型确定所述电容值。

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