CN111856146A - 一种电容容值测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种体积小、成本低、测量精度高且能实现板载电容测量的电容容值测量装置及方法。本发明所述电容容值测量装置包括输出电容充电电压信号到充电时间采集电路（3）且用于对被测电容（C1）进行放电和充电的电容充放电电路（1），与所述充电时间采集电路（3）相连接且用于设置充电起始电压和充电结束电压并采集被测电容（C1）最终充满电电压的电压设置及采集电路（2），以及所述充电时间采集电路，所述充电时间采集电路用于计算被测电容（C1）的充电时间；其测量方法步骤为：a.被测电容放电完毕，b.被测电容开始充电，c.充电电压设置和采集，d.充电时间统计，e.计算出被测电容容值C。本发明可应用于测试领域。

Description

一种电容容值测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其涉及一种电容容值测量装置及方法。

背景技术

随着信息时代的日益发展，各种消费类电子产品不断更新换代，对消费电子的测量设备的需求也越来越大。目前电子产品的功能多样化，需要测试的功能也需要更加全面，测量电容容值的需求增多。市面上也存在各种电容容量测试设备，但是这些测试设备中，能达到高精度测试的设备体积较大、价格贵，如一般采用的大体积LCR仪器。而体积小的设备无法测量板载电容且精度低。总的来说，现有技术存在如下问题：1、现有的测试设备，能满足高精度、板载电容容量，但是体积较大、较贵，动辄几万元人民币；2、现有的体积小的设备只能测量独立电容，无法测量板载电容且精度低。

为了解决上述问题，亟待设计一种能够实现高精度、小体积、低成本且能够实现板载电容测量的电容测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种体积小、成本低、测量精度高且能实现板载电容测量的电容容值测量装置。

本发明还提供了利用上述测量装置对电容容值测量的方法，该方法流程简单，操作便捷，且成本低。

本发明所述电容容值测量装置所采用的技术方案是，该装置包括

输出电容充电电压信号到充电时间采集电路且用于对被测电容进行放电和充电的电容充放电电路，

与所述充电时间采集电路相连接且用于设置充电起始电压和充电结束电压并采集被测电容最终充满电电压的电压设置及采集电路，以及

所述充电时间采集电路，所述充电时间采集电路用于计算被测电容的充电时间。

进一步地，所述充电时间采集电路包括第一仪表运放、窗口比较器、异或门逻辑器件、与门电路及MCU，所述第一仪表运放接受所述电容充放电电路输出的电容充电电压信号，所述第一仪表运放输出电压信号到所述窗口比较器，所述窗口比较器的输入端还与所述电压设置及采集电路相连接，所述窗口比较器输出两路信号到所述异或门逻辑器件，所述异或门逻辑器件输出信号到所述与门电路，所述MCU产生一路时钟信号到所述与门电路的输入端，所述与门电路的输出端与所述MCU连接。

再进一步地，所述电压设置及采集电路包括DAC和ADC，所述DAC调用所述MCU内置的12bit DAC，所述ADC为24bit ADC芯片。

另外，所述电容充放电电路包括基准电源、第二仪表运放、限流电阻、放电继电器、放电电阻及充电继电器，所述基准电源输出电压后输入到所述第二仪表运放的输入端，所述限流电阻设置在所述第二仪表运放的输出端，所述放电电阻的两端连接在所述放电继电器上，所述充电继电器的一端连接在所述第二仪表运放与所述放电继电器之间，所述充电继电器的另一端与所述充电时间采集电路连接。

进一步地，所述MCU的型号选自STM32F103RCT6。

又进一步地，在所述第一仪表运放的前端还设置有导通继电器。

利用上述电容容值测量装置进行电容容值测量的方法包括以下步骤：

a.被测电容放电完毕：首先闭合所述放电继电器，被测电容通过所述放电电阻放电，放电结束后断开所述放电继电器；

b.被测电容开始充电：所述MCU开始输出设定频率的时钟信号到所述与门电路，所述充电继电器闭合并开始未被测电容充电，电容充电电压信号通过所述第一仪表运放进入所述窗口比较器；

c.充电电压设置和采集：所述DAC对所述窗口比较器的充电起始电压和充电结束电压进行设置，所述ADC对所述DAC设置的电压值及被测电容最终充满电时的电压值进行采集；

d.充电时间统计：在被测电容开始充电前，所述窗口比较器的两个输出端A和B都输出高电平，当充电电压达到设置的起始电压时，所述窗口比较器的输出端A由高电平变化为低电平，此时所述异或门逻辑器件由低电平变化为高电平，其输出与所述MCU输出的时钟信号在所述与门电路相与后输出给所述MCU进行时间统计；

e.当MCU获取到时间后由以下公式计算出被测电容容值C，

C=(t2–t1)/((Vinf/Vref)*Rref*Ln((Vinf-V2)/(Vinf-V1))，

其中，t1为电容充电起始时间，t2为电容充电结束时间，V1为设置的充电起始电压，V2为设置的充电结束电压，Vref 为基准电源的电压，Vinf 为被测电容 C1处最终的充电电压，Rref=R112，为限流电阻。

进一步地，该方法还包括校准步骤：采用LCR表作为校准仪，在进行电容容值测量后，获得测得的容值与LCR表测得的容值比较，得到误差值，再将误差值记录在所述MCU的FLASH中供测试时做补偿使用。

本发明的有益效果是：本发明采用集成电路的方式对电容容值进行测量，大大地减小了测量装置的体积，且其中涉及的器件都是常规器件，整体价格便宜，大大地降低了成本；同时采用了24bit的ADC电压采样电路和12bit DAC电压设置电路，大大地提高了测量的精度；此外，通过电容充放电、电压设置及采集、充电时间采集三个单元电路达到电容容值测量，并可通过RC充放电方法来精确测量板载电容及独立电容，能够适用于板载电容测量的场合。

此外，本发明方法通过电容充放电、电压设置及采集、充电时间采集三个单元电路的协同作业，能够快速地对电容容值进行高精度的测量，提高了测量效率和测量精度，也相对地降低了成本。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图；

图2是本发明各电路或器件输出信号的信号波形图；

图3是所述电容充放电电路的原理图；

图4是所述MCU及其外围电路的原理图；

图5是所述充电时间采集电路的原理图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明所述装置包括输出电容充电电压信号到充电时间采集电路3且用于对被测电容C1进行放电和充电的电容充放电电路1，与所述充电时间采集电路3相连接且用于设置充电起始电压和充电结束电压并采集被测电容C1最终充满电电压的电压设置及采集电路2，以及所述充电时间采集电路3，所述充电时间采集电路3用于计算被测电容C1的充电时间。

所述充电时间采集电路3包括第一仪表运放U1、窗口比较器31、异或门逻辑器件32、与门电路33及MCU34，所述第一仪表运放U1接受所述电容充放电电路1输出的电容充电电压信号，所述第一仪表运放U1输出电压信号到所述窗口比较器31，所述窗口比较器31的输入端还与所述电压设置及采集电路2相连接，所述窗口比较器31输出两路信号A、B到所述异或门逻辑器件32，所述异或门逻辑器件32输出信号到所述与门电路33，所述MCU34产生一路时钟信号到所述与门电路33的输入端，所述与门电路33的输出端与所述MCU34连接。在所述第一仪表运放U1的前端还设置有导通继电器K21。在本实施例中，所述MCU的型号选自STM32F103RCT6。在本实施例中，电容充电电压经过第一仪表运放U1缓冲、噪声抑制后接入窗口比较器。输入时钟由MCU产生，时钟频率可设置，时钟频率越高精度越高。经过与门电路后输出的时钟接入MCU的时钟捕获输入端进行计时。当计时结束后由MCU使用电容充电公式计算电容值。

所述电压设置及采集电路2包括DAC 21和ADC 22，所述DAC 21调用所述MCU 34内置的12bit DAC，所述ADC 22为24bit ADC芯片。本实施例中，电压设置使用STM32 MCU内置12bitDAC(数字模拟转换器)，可以为电容测量设置精确的充电起始电压和充电结束电压，电压设置最小分辨率可以达到1mV。电压采集使用24bit的高精度ADC（模拟数字转换器）芯片，24bitADC精度可达到1uV，确保能采集到精确的电压值从而提高系统精度。

所述电容充放电电路1包括基准电源U30、第二仪表运放U31、限流电阻R112、放电继电器K23、放电电阻R206及充电继电器K24，所述基准电源U30输出电压后输入到所述第二仪表运放U31的输入端，所述限流电阻R112设置在所述第二仪表运放U31的输出端，所述放电电阻R206的两端连接在所述放电继电器K23上，所述充电继电器K24的一端连接在所述第二仪表运放U31与所述放电继电器K23之间，所述充电继电器K24的另一端与所述充电时间采集电路3连接。在本实施例中，基准电源U30提供5V标准电压。所述电容充放电电路1由基准电源U30作为主要组成部分，采用精密基准电源提供5V电压，经过第二仪表运放U31缓冲、噪声抑制后接入限流电阻R112达到恒流充电。当放电继电器K23闭合后进行放电。当放电继电器K23断开，充电继电器K24闭合则给被测电容进行充电。

利用上述电容容值测量装置进行电容容值测量的方法包括以下步骤：

a.被测电容放电完毕：首先闭合所述放电继电器K23，被测电容C1通过所述放电电阻R206放电，放电结束后断开所述放电继电器K23；

b.被测电容开始充电：所述MCU34开始输出设定频率的时钟信号到所述与门电路33，所述充电继电器K24闭合并开始未被测电容C1充电，电容充电电压信号通过所述第一仪表运放U1进入所述窗口比较器31；

c.充电电压设置和采集：所述DAC21对所述窗口比较器31的充电起始电压和充电结束电压进行设置，所述ADC22对所述DAC21设置的电压值及被测电容最终充满电时的电压值进行采集；

d.充电时间统计：在被测电容C1开始充电前，所述窗口比较器31的两个输出端A和B都输出高电平，当充电电压达到设置的起始电压时，所述窗口比较器31的输出端A由高电平变化为低电平，此时所述异或门逻辑器件32由低电平变化为高电平，其输出与所述MCU34输出的时钟信号在所述与门电路33相与后输出给所述MCU34进行时间统计；

e.当MCU获取到时间后由以下公式计算出被测电容容值C，

C=(t2–t1)/((Vinf/Vref)*Rref*Ln((Vinf-V2)/(Vinf-V1))，

其中，t1为电容充电起始时间，t2为电容充电结束时间，V1为设置的充电起始电压，V2为设置的充电结束电压，Vref 为基准电源的电压，Vinf 为被测电容 C1处最终的充电电压，Rref=R112，为限流电阻。

为了提供稳定、高精度的电容测量电路，本系统采取校准的方式去达到该目的。因为ADC有满量程误差、链路上有等效电容等误差，通过电路的校准，去弥补电路的不足。其校准步骤：采用LCR表作为校准仪，在进行电容容值测量后，获得测得的容值与LCR表测得的容值比较，得到误差值，再将误差值记录在所述MCU34的FLASH中供测试时做补偿使用。

本发明装置及方法精度高，其采用24bit-ADC和12bit-DAC，保证了分辨率在1uA或1uV；其依靠高带宽的运放和MCU处理，提升了相应速度；另外，本发明电路集成度高，稳定可靠，方便移植；且成本低，整个电路成本在200RMB以内。

Claims (8)

1.一种电容容值测量装置，其特征在于：它包括

输出电容充电电压信号到充电时间采集电路（3）且用于对被测电容（C1）进行放电和充电的电容充放电电路（1），

与所述充电时间采集电路（3）相连接且用于设置充电起始电压和充电结束电压并采集被测电容（C1）最终充满电电压的电压设置及采集电路（2），以及

所述充电时间采集电路（3），所述充电时间采集电路（3）用于计算被测电容（C1）的充电时间。

2.根据权利要求1所述的一种电容容值测量装置，其特征在于：所述充电时间采集电路（3）包括第一仪表运放（U1）、窗口比较器（31）、异或门逻辑器件（32）、与门电路（33）及MCU（34），所述第一仪表运放（U1）接受所述电容充放电电路（1）输出的电容充电电压信号，所述第一仪表运放（U1）输出电压信号到所述窗口比较器（31），所述窗口比较器（31）的输入端还与所述电压设置及采集电路（2）相连接，所述窗口比较器（31）输出两路信号（A、B）到所述异或门逻辑器件（32），所述异或门逻辑器件（32）输出信号到所述与门电路（33），所述MCU（34）产生一路时钟信号到所述与门电路（33）的输入端，所述与门电路（33）的输出端与所述MCU（34）连接。

3.根据权利要求2所述的一种电容容值测量装置，其特征在于：所述电压设置及采集电路（2）包括DAC（21）和ADC（22），所述DAC（21）调用所述MCU（34）内置的12bit DAC，所述ADC（22）为24bit ADC芯片。

4.根据权利要求3所述的一种电容容值测量装置，其特征在于：所述电容充放电电路（1）包括基准电源（U30）、第二仪表运放（U31）、限流电阻（R112）、放电继电器（K23）、放电电阻（R206）及充电继电器（K24），所述基准电源（U30）输出电压后输入到所述第二仪表运放（U31）的输入端，所述限流电阻（R112）设置在所述第二仪表运放（U31）的输出端，所述放电电阻（R206）的两端连接在所述放电继电器（K23）上，所述充电继电器（K24）的一端连接在所述第二仪表运放（U31）与所述放电继电器（K23）之间，所述充电继电器（K24）的另一端与所述充电时间采集电路（3）连接。

5.根据权利要求2或3所述的一种电容容值测量装置，其特征在于：所述MCU的型号选自STM32F103RCT6。

6.根据权利要求2所述的一种电容容值测量装置，其特征在于：在所述第一仪表运放（U1）的前端还设置有导通继电器（K21）。

7.一种利用如权利要求4所述的电容容值测量装置进行电容容值测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.被测电容放电完毕：首先闭合所述放电继电器（K23），被测电容（C1）通过所述放电电阻（R206）放电，放电结束后断开所述放电继电器（K23）；

b.被测电容开始充电：所述MCU（34）开始输出设定频率的时钟信号到所述与门电路（33），所述充电继电器（K24）闭合并开始未被测电容（C1）充电，电容充电电压信号通过所述第一仪表运放（U1）进入所述窗口比较器（31）；

c.充电电压设置和采集：所述DAC（21）对所述窗口比较器（31）的充电起始电压和充电结束电压进行设置，所述ADC（22）对所述DAC（21）设置的电压值及被测电容最终充满电时的电压值进行采集；

d.充电时间统计：在被测电容（C1）开始充电前，所述窗口比较器（31）的两个输出端A和B都输出高电平，当充电电压达到设置的起始电压时，所述窗口比较器（31）的输出端A由高电平变化为低电平，此时所述异或门逻辑器件（32）由低电平变化为高电平，其输出与所述MCU（34）输出的时钟信号在所述与门电路（33）相与后输出给所述MCU（34）进行时间统计；

e.当MCU获取到时间后由以下公式计算出被测电容容值C，

C=(t2–t1)/((Vinf/Vref)*Rref*Ln((Vinf-V2)/(Vinf-V1))，

其中，t1为电容充电起始时间，t2为电容充电结束时间，V1为设置的充电起始电压，V2为设置的充电结束电压，Vref 为基准电源的电压，Vinf 为被测电容 C1处最终的充电电压，Rref=R112，为限流电阻。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括校准步骤：采用LCR表作为校准仪，在进行电容容值测量后，获得测得的容值与LCR表测得的容值比较，得到误差值，再将误差值记录在所述MCU（34）的FLASH中供测试时做补偿使用。

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