CN113125926B - 一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法，其测量系统包括数字信号处理子系统、模拟链路子系统和待测电容测试子系统；本发明在外加偏置电压的条件下，能对阵列精密电容实现在线同步测量，通过不同频率的激励信号给到不同的待测电容，通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，之后将包括复数个频率分量的第二合成波数字信号输入数字信号处理子系统进行并行解调，也确保了待测电容在测试时间上的匹配，提高了电容测量效率。

Description

一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，更具体的，涉及一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法。

背景技术

在各种工业应用和科学研究场景中电容测量是一个重要的研究领域，尤其是对电容式传感器而言，需要低至皮法级的精密电容测量方法。除了待测电容小的特点外，一些电容工作在几十伏甚至上百伏的直流电压之下，同时要求对多个电容进行同时测量。

目前主要有这几种电容测量方法：振荡法、直流充放电法、电桥法、交流激励法。

其中，基于振荡的方法是将待测电容和外加电感或电阻组成自激振荡电路，通过测量电路振荡信号频率间接求出待测电容大小，如中国专利公开号：CN105277790A，公开日：2016-01-27，公开了提供了一种振荡回路中基于阻尼振荡波的电阻、电感和电容的测量方法，该方法采用了改进的离散傅里叶算法，实现了电阻、电感和电容参数的高精度测量；其中，对检测电压信号进行窗函数处理，可以有效的抑制标准离散傅里叶变换中截断效应的影响，提高傅里叶变换精度，进而提高电阻、电感和电容参数的测量精度。

基于直流充放电的方法是将待测电容充至电源电压，再放电至设定的电压，通过时间数字转换器测得放电时间可计算待测电容大小；如中国专利公开号：CN103499743A，公开日：2014-01-08，公开了一种高精度测量电阻电容的系统及电路，该系统包括：输入方波信号发生单元，电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元，脉宽信号计时单元。

基于电桥的方法将待测电容放在一个桥臂上，通过不断调节桥臂上的参考阻抗直到电桥平衡；如中国专利公开号：CN104296786A，公开日：2015-01-21，公开了一种数字电桥电容测量模块，通过下述技术方案予以实现：平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°组成数字平衡机构；激励源单元产生3种信号，其中0°相位驱动信号驱动同步放大电路把正交滤波测量信号送入零位平衡单元产生再平衡监控信号；AC参考信号驱动电容平衡桥臂电路，AC激励信号分时驱动BITE检测桥臂电路，把平衡桥臂与测量桥臂两个相位差180°的交流信号通过求和电路求和，经带通滤波电路滤波为0°、90°相位驱动信号，CPU控制单元对零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制，用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较，CPU控制单元以检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时的D/A转换器数据作为当前测量的电容值。

基于交流激励的方法是将待测电容和一个参考电容进行串联，输入固定频率的交流激励信号，根据电容分压计算待测电容大小，如中国专利公开号：CN108333437A，公开日：2018-07-27，公开了一种微小电容测量系统，其包括一信号发生模块、一电容/电压变换模块、一信号采集处理模块、一CPU及一通信模块，所述信号发生模块包括DDS正弦信号发生器及数模转换器，所述信号采集处理模块包括程控放大器、模数转换器及数字解调器，所述DDS正弦信号发生器输出端依次串联数模转换器、电容/电压变换模块、程控放大器、模数转换器、数字解调器及CPU，所述数字解调器的另一端信号输入端口连接DDS正弦信号发生器，所述CPU还分别与DDS正弦信号发生器、程控放大器及通信模块相连。

以上几种方法中均存在不同程度的缺点具体如下：振荡法结构较为简单但受寄生参数的影响稳定性不高；直流充放电法和电桥法能够获得较高的电容测量分辨率，但不适合快速测量的应用，并且难以在外加偏压的情况下进行在线测量；采用常见结构的电容分压交流激励法，测量速度较高但难以做到多电容测量的电路匹配。

综上所述，对于呈阵列分布的精密电容在外加偏压下进行同步测量的问题，利用目前的电容测量方法难以解决。

发明内容

本发明为了解决现有的电容测量方法无法对呈阵列分布的精密电容在外加偏压下进行同步测量的问题，提供了一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法，其能够为待测电容提供偏置电压的同时，实现在线同步测量多个待测电容的电容值。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，包括数字信号处理子系统、模拟链路子系统和待测电容测试子系统，

所述的数字信号处理子系统输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统；

所述的模拟链路子系统将不同频率的第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号进行滤波、放大处理，得到并输出复数个不同频率的第一正弦波模拟信号至所述的待测电容测试子系统；

所述的待测电容测试子系统将接收到的复数个不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的模拟链路子系统接收反馈回来第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理之后，并将第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并输入所述的数字信号处理子系统；

最终所述的数字信号处理子系统根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行处理得到不同的待测电容的电容值。

优选地，所述的数字信号处理子系统包括复数个相敏检测模块、复数个正弦波产生模块、平滑滤波器组、微处理器；

每个所述的正弦波产生模块对应与一个所述的相敏检测模块连接；

每个所述的正弦波产生模块接收所述的微处理器发送的频率控制信号，并产生一对相位正交的第一正弦波数字信号；不同所述的正弦波产生模块之间产生的第一正弦波数字信号的频率均不相同；

所述的第一正弦波数字信号分别输入对应连接的相敏检测模块、模拟链路子系统；

同时每个相敏检测模块从模拟链路子系统接收同一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

每个所述的相敏检测模块都输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器组，其中特定频率是指与相位正交的正弦波数字信号具有相同频率；

所述的微处理器从平滑滤波器组接收复数个平滑后的第三数字信号，计算处理得到多个待测电容的电容值，同时输出频率控制信号到正弦波产生模块，并输出程控放大控制信号至模拟链路子系统。

进一步地，所述的模拟链路子系统包括复数个模拟驱动链路和一个模拟采样链路；

一个所述的模拟驱动链路与一个正弦波产生模块对应连接，用于接收正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号；

同时所述的模拟驱动链路将第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号，并进行滤波、放大处理，之后输入到待测电容测试子系统；

所述的模拟采样链路从待测电容测试子系统接收一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理，并将第二合成波模拟信号转换为一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号，并输入到每个所述的相敏检测模块。

再进一步地，所述的待测电容测试子系统包括复数个直流耦合电路、复数个第一交流耦合电路、一路第二交流耦合电路、复数个待测电容、一个取样电阻；

一路所述的直流耦合电路的一端接偏置电压，一路所述的直流耦合电路的另一端对应与一路所述的待测电容的一端连接；

复数个所述的待测电容的另一端均与取样电阻的一端连接；

所述的取样电阻的另一端接地；

一路所述的第一交流耦合电路的输入端对应与一路模拟驱动链路的输出端连接，用于接收经过滤波、放大处理之后的第一正弦波模拟信号；

一路所述的第一交流耦合电路的输出端对应接到所述的直流耦合电路与待测电容之间；

所述的第二交流耦合电路的一端连接在复数个待测电容和所述的取样电阻之间，所述的第二交流耦合电路的另一端连接模拟链路子系统的程控放大电路；

不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的第一交流耦合电路输入不同的待测电容后在取样电阻汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，再通过第二交流耦合电路输出到模拟链路子系统中的模拟采样链路。

再进一步地，所述的相敏检测模块包括两个乘法器、两个多阶时间常数可调的IIR数字低通滤波器；

其中一个所述的乘法器的输出对应与一个IIR数字低通滤波器的输入端连接；

所述的乘法器的输入端同时接收正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号、和模拟采样链路发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

所述的IIR数字低通滤波器的输出端输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器组。

再进一步地，所述的模拟驱动链路包括数模转换器、第一低通滤波器、功率放大电路；

所述的数模转换器用于接收所述的正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号，将第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号，将正弦波模拟信号依次输入到第一低通滤波器、功率放大电路分别进行滤波、放大处理得到第一正弦波模拟信号。

再进一步地，所述的模拟采样链路包括模数转换器、第二低通滤波器、程控放大电路；

所述的程控放大电路的输入端分别接收微处理器发送的程控放大控制信号，和第二交流耦合电路发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的程控放大电路将接收到的第二合成波模拟信号输入到所述的第二低通滤波器进行低通滤波；

所述的模数转换器将经过低通滤波的第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并将第二合成波数字信号分别输入每个乘法器。

再进一步地，所述的直流耦合电路包括电阻、电感；

所述的电阻的一端与偏置电压连接，所述的电阻的另一端与电感的一端连接；

所述的电感的另一端与一个待测电容连接。

再进一步地，所述的第一交流耦合电路包括一个电容。

一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统的测量方法，所述的测量方法包括步骤如下：

S1：在待测电容测试子系统中设置待测电容的偏置电压；

S2：利用数字信号处理子系统输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统；

S3：所述的模拟链路子系统将不同频率的第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号进行滤波、放大处理；

S4：利用待测电容测试子系统对经过滤波、放大处理之后的第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

S5：所述的模拟链路子系统对第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理之后得到一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

S6：数字信号处理子系统再根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行计算处理得到不同的待测电容的电容值。

本发明的有益效果如下：

1.本发明在外加偏置电压的条件下，能对阵列精密电容实现在线同步测量，通过不同频率的激励信号给到不同的待测电容，通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，之后将复数个频率分量的第二合成波模拟信号输入数字信号处理子系统进行并行解调，也确保了待测电容在测试时间上的匹配，提高了电容测量效率。

附图说明

图1是实施例1所述的同步测量系统的框图。

图2是实施例1所述的同步测量系统的详细电路连接图。

图3是实施例1所述的同步测量方法的流程图。

图4是实施例1所述的数字信号处理子系统的详细框图。

图5是实施例1所述的待测电容测试子系统的详细框图。

图中，1-数字信号处理子系统；2-模拟链路子系统；3-待测电容测试子系统；

11-相敏检测模块；12-正弦波发生模块；13-平滑滤波器组；14-微处理器；

21-模拟驱动链路；22-模拟采样链路；

31-直流耦合电路；32-第一交流耦合电路；33-第二交流耦合电路；34-待测电容；35；取样电阻；

111-IIR数字低通滤波器；112-乘法器；131-平滑滤波器；

211-数模转换器；212-第一低通滤波器；213-功率放大电路；

221-模数转换器；222-第二低通滤波器；223-程控放大电路；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1、图2所示，一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，包括数字信号处理子系统1、模拟链路子系统2和待测电容测试子系统3，

所述的数字信号处理子系统1输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统2；

所述的模拟链路子系统2将不同频率的第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号进行滤波、放大处理，同时输出复数个不同频率的第一正弦波模拟信号至所述的待测电容测试子系统3；

所述的待测电容测试子系统3将接收到的复数个不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的模拟链路子系统2接收所述的待测电容测试子系统3反馈回来一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理之后，将第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并输入到所述的数字信号处理子系统1；

最终所述的数字信号处理子系统1根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行处理得到不同的待测电容的电容值。

如图3所示，本实施例所述的同步测量系统实现的同步测量方法如下：

S1：在待测电容测试子系统3中设置待测电容的偏置电压；

S2：利用数字信号处理子系统1输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统2；

S3：所述的模拟链路子系统2将不同频率的第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号进行滤波、放大处理，得到并输出第一正弦波模拟信号；

S4：利用待测电容测试子系统3将第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

S5：所述的模拟链路子系统2对第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理之后得到一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

S6：数字信号处理子系统1再根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行计算处理得到不同的待测电容的电容值。

在一个具体的实施例中，如图4所示，所述的数字信号处理子系统1包括复数个相敏检测模块11、复数个正弦波产生模块12、平滑滤波器组13、微处理器14；

每个所述的正弦波产生模块12对应与一个所述的相敏检测模块11连接；

每个所述的正弦波产生模块12接收所述的微处理器14发送的频率控制信号，并产生一对相位正交的第一正弦波数字信号；不同所述的正弦波产生模块12之间产生的第一正弦波数字信号的频率均不相同；

所述的第一正弦波数字信号分别输入对应连接的相敏检测模块11、模拟链路子系统2；

同时每个相敏检测模块11从模拟链路子系统2接收同一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

每个所述的相敏检测模块11都输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器13组，其中特定频率是指与相位正交的正弦波数字信号具有相同频率；

所述的微处理器14从平滑滤波器组13接收复数个平滑后的第三数字信号，计算处理得到多个待测电容的电容值，同时输出频率控制信号到正弦波产生模块12，并输出程控放大控制信号至模拟链路子系统2。

在一个具体的实施例中，如图2所示，所述的模拟链路子系统2包括复数个模拟驱动链路21和一个模拟采样链路22；

一个所述的模拟驱动链路21与一个正弦波产生模块12对应连接，用于接收正弦波产生模块12产生的第一正弦波数字信号；

同时所述的模拟驱动链路21将第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号，并进行滤波、放大处理，之后输入到待测电容测试子系统3；

所述的模拟采样链路22从待测电容测试子系统3接收一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理，

并将第二合成波模拟信号转换为一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号，并输入到每个所述的相敏检测模块11。

在一个具体的实施例中，如图2、图5所示，所述的待测电容测试子系统3包括复数个直流耦合电路、复数个第一交流耦合电路、一路第二交流耦合电路、复数个待测电容、一个取样电阻；

一路所述的直流耦合电路的一端接偏置电压，一路所述的直流耦合电路的另一端对应与一个所述的待测电容的一端连接；

复数个所述的待测电容的另一端均与取样电阻的一端连接；

所述的取样电阻的另一端接地；

一路所述的第一交流耦合电路的输入端对应与一路模拟驱动链路的输出端连接，用于接收经过滤波、放大处理之后的第一正弦波模拟信号；

一路所述的第一交流耦合电路的输出端对应接到所述的直流耦合电路与待测电容之间；

所述的第二交流耦合电路的一端连接在复数个待测电容和所述的取样电阻之间，所述的第二交流耦合电路的另一端连接到模拟链路子系统的程控放大电路；

不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的第一交流耦合电路输入不同的待测电容后在取样电阻汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，再通过第二交流耦合电路输出到模拟链路子系统中的模拟采样链路。

在一个具体的实施例中，所述的相敏检测模块11包括两个乘法器112、两个多阶时间常数可调的IIR数字低通滤波器111；

其中一个所述的乘法器112的输出对应与一个IIR数字低通滤波器111的输入端连接；

所述的乘法器112的输入端同时接收正弦波产生模块12产生的第一正弦波数字信号、和模拟采样链路22发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

所述的IIR数字低通滤波器111的输出端输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器组。

本实施例所述的平滑滤波器组13包括复数个平滑滤波器131，一个所述的平滑滤波器131与一个所述的IIR数字低通滤波器111连接。所述的平滑滤波器131采用多阶FIR滤波器实现。所述的相敏检测模块11、正弦波产生模块12、平滑滤波器组13在数字逻辑器件FPGA或CPLD实现。

在一个具体的实施例中，所述的模拟驱动链路21包括数模转换器211、第一低通滤波器212、功率放大电路213；

所述的数模转换器211用于接收所述的正弦波产生模块12产生的第一正弦波数字信号，将第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号，并依次输入到第一低通滤波器212、功率放大电路213分别进行滤波、放大处理。

每个所述的模拟驱动链路21从数字信号处理子系统1接收不同频率的第一正弦波数字信号，通过数模转换器211进行数字模拟转换，再通过第一低通滤波器212滤除高频成分，最后通过功率放大电路213输出不同频率的第一正弦波模拟信号至待测电容测试子系统3。

在一个具体的实施例中，所述的模拟采样链路22包括模数转换器221、第二低通滤波器222、程控放大电路223；

所述的程控放大电路223的输入端分别接收微处理器14发送的程控放大控制信号，和第二交流耦合电路发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的程控放大电路223将接收到的第二合成波模拟信号输入到所述的第二低通滤波器222进行低通滤波；

所述的模数转换器22将经过低通滤波的第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并将第二合成波数字信号分别输入每个乘法器112。

所述模拟采样链路22从待测电容测试子系统3接收一个包含复数个频率分量的第二合成波模拟信号，通过程控放大电路223进行功率放大，再通过第二低通滤波器222滤除高频成分，最后通过模数转换器221进行模拟数字转换，并输出一个包含复数个频率分量的第二合成波数字信号至数字信号处理子系统1。

在一个具体的实施例中，所述的直流耦合电路包括电阻、电感；

所述的电阻的一端与偏置电压连接，所述的电阻的另一端与电感的一端连接；

所述的电感的另一端与一个待测电容连接。

再进一步地，所述的第一交流耦合电路包括一个电容。

根据图4所示，复数个所述的正弦波产生模块一个产生复数个不同频率分量的第一正弦波数字信号，表示如下：

V_s＝a₁ sin(ω₁t+θ₁)+a₂ sin(ω₂t+θ₂)+…+a_N sin(ω_Nt+θ_N)；

对于频率为ω₁的信号分量，一对相位正交的正弦波数字信号分别是V_rx1＝sin(ω₁t+φ₁)和V_ry1＝cos(ω₁t+φ₁)。

V_s通过解调频率为ω₁的相敏检测模块和平滑滤波器后，得到X₁＝0.5a₁ cos(θ₁-φ₁)和Y₁＝0.5a₁ sin(θ₁-φ₁)。所述的微处理器通过求模运算可以得到ω₁频率分量上交流信号的幅度

同理可以计算出其他频率分量上交流信号的幅度。

参照图5，直流耦合电路31由一个电感L_dc和一个电阻R_dc组成，第一交流耦合电路32是一个电容C_ac，第二交流耦合电路33是一个电容C_o。为了不影响待测电容34的测量，直流耦合电路31的阻抗应远大于待测电容34中任一待测电容与取样电阻35之和，即

,1≤i≤N。

对于来自模拟链路子系统的频率为ω₁的放大后的正弦波模拟信号V_i1，将通过电容C_ac耦合到一待测电容C_x1，形成交流电流信号I_i1。不同频率的交流电流信号I_i1,I_i2,…,I_iN在取样电阻35上汇聚产生一个包含复数个频率分量的第二合成波模拟信号，通过C_o电容耦合形成V_o，通过C_o的过程视为无损。V_o＝V_o1+V_o2+…+V_oN，其中V_oi是在取样电阻35上不同频率分量的交流电压信号，1≤i≤N。

对于频率为ω₁的信号V_i1，和V_o1的拉普拉斯变化关系是

根据已知的取样电阻R_s和耦合电容C_ac，并有s＝jω₁，V_i1的幅值是已知的，V_o1的幅值如上述那样可以在微处理器中计算得到，测得V_o1的幅值就可以计算出待测电容C_x1的大小。

基于以上所述的同步测量系统，该系统的同步测量方法步骤如下：

D1：复数个待测电容通过直流耦合电路设置偏置电压；

D2：微处理器输出频率控制信号到正弦波产生模块，控制产生多对不同频率的相位正交的第一正弦波数字信号，并输出程控放大控制信号到程控放大电路；

D3：将多对不同频率的相位正交的第一正弦波数字信号给到复数个相敏检测模块，并将一对相位正交的第一正弦波数字信号输入一路模拟驱动链路，给到复数个模拟驱动链路的数字信号的频率不同；

D4：每个模拟驱动链路将第一正弦波数字信号转换为放大后的第一正弦波模拟信号，通过第一交流耦合电路激励待测电容；

D5：不同频率的第一正弦波模拟信号依次通过不同的待测电容和同一个取样电阻，在取样电阻上得到一个包含复数个频率分量的第二合成波模拟信号，再依次通过第二交流耦合电路和模拟采样链路，得到一个包含复数个频率分量的第二合成波数字信号；

D6：每个相敏检测模块在收到输入的一个包含复数个频率分量的第二合成波数字信号和一对相位正交的第一正弦波数字信号后，计算输出一对包含特定频率分量信号的幅度和相位信息的数字信号至平滑滤波器组进行平滑处理，再给到微处理器计算出每个待测电容的电容值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：包括数字信号处理子系统、模拟链路子系统和待测电容测试子系统，

所述的数字信号处理子系统输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统；

所述的模拟链路子系统将不同频率的第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号进行滤波、放大处理，得到并输出复数个不同频率的第一正弦波模拟信号至所述的待测电容测试子系统；

所述的待测电容测试子系统将接收到的复数个不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的模拟链路子系统接收反馈回来第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理之后，并将第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并输入所述的数字信号处理子系统；

最终所述的数字信号处理子系统根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行处理得到不同的待测电容的电容值；

所述的数字信号处理子系统包括复数个相敏检测模块、复数个正弦波产生模块、平滑滤波器组、微处理器；

每个所述的正弦波产生模块对应与一个所述的相敏检测模块连接；

每个所述的正弦波产生模块接收所述的微处理器发送的频率控制信号，并产生一对相位正交的第一正弦波数字信号；不同所述的正弦波产生模块之间产生的第一正弦波数字信号的频率均不相同；

所述的第一正弦波数字信号分别输入对应连接的相敏检测模块、模拟链路子系统；

同时每个相敏检测模块从模拟链路子系统接收同一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

每个所述的相敏检测模块都输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器组，其中特定频率是指与相位正交的正弦波数字信号具有相同频率；

所述的微处理器从平滑滤波器组接收复数个平滑后的第三数字信号，计算处理得到多个待测电容的电容值，同时输出频率控制信号到正弦波产生模块，并输出程控放大控制信号至模拟链路子系统。

2.根据权利要求1所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的模拟链路子系统包括复数个模拟驱动链路和一个模拟采样链路；

一个所述的模拟驱动链路与一个正弦波产生模块对应连接，用于接收正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号；

同时所述的模拟驱动链路将第一正弦波数字信号转换为第一正弦波模拟信号，并进行滤波、放大处理，之后输入到待测电容测试子系统；

所述的模拟采样链路从待测电容测试子系统接收一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，并进行程控放大和滤波处理，并将第二合成波模拟信号转换为一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号，并输入到每个所述的相敏检测模块。

3.根据权利要求2所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的待测电容测试子系统包括复数个直流耦合电路、复数个第一交流耦合电路、一路第二交流耦合电路、复数个待测电容、一个取样电阻；

一路所述的直流耦合电路的一端接偏置电压，一路所述的直流耦合电路的另一端对应与一路所述的待测电容的一端连接；

复数个所述的待测电容的另一端均与取样电阻的一端连接；

所述的取样电阻的另一端接地；

一路所述的第一交流耦合电路的输入端对应与一路模拟驱动链路的输出端连接，用于接收经过滤波、放大处理之后的第一正弦波模拟信号；

一路所述的第一交流耦合电路的输出端对应接到所述的直流耦合电路与待测电容之间；

所述的第二交流耦合电路的一端连接在复数个待测电容和所述的取样电阻之间，所述的第二交流耦合电路的另一端连接模拟链路子系统的程控放大电路；

不同频率的第一正弦波模拟信号通过不同的第一交流耦合电路输入不同的待测电容后在取样电阻汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，再通过第二交流耦合电路输出到模拟链路子系统中的模拟采样链路。

4.根据权利要求3所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的相敏检测模块包括两个乘法器、两个多阶时间常数可调的IIR数字低通滤波器；

其中一个所述的乘法器的输出对应与一个IIR数字低通滤波器的输入端连接；

所述的乘法器的输入端同时接收正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号、和模拟采样链路发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

所述的IIR数字低通滤波器的输出端输出一对包括特定频率分量信号的幅度和相位信息的第三数字信号至所述的平滑滤波器组。

5.根据权利要求4所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的模拟驱动链路包括数模转换器、第一低通滤波器、功率放大电路；

所述的数模转换器用于接收所述的正弦波产生模块产生的第一正弦波数字信号，将第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号，将正弦波模拟信号依次输入到第一低通滤波器、功率放大电路分别进行滤波、放大处理得到第一正弦波模拟信号。

6.根据权利要求4所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的模拟采样链路包括模数转换器、第二低通滤波器、程控放大电路；

所述的程控放大电路的输入端分别接收微处理器发送的程控放大控制信号，和第二交流耦合电路发送的一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

所述的程控放大电路将接收到的第二合成波模拟信号输入到所述的第二低通滤波器进行低通滤波；

所述的模数转换器将经过低通滤波的第二合成波模拟信号转换为第二合成波数字信号，并将第二合成波数字信号分别输入每个乘法器。

7.根据权利要求3所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的直流耦合电路包括电阻、电感；

所述的电阻的一端与偏置电压连接，所述的电阻的另一端与电感的一端连接；

所述的电感的另一端与一个待测电容连接。

8.根据权利要求7所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统，其特征在于：所述的第一交流耦合电路包括一个电容。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统的方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：

S1：在待测电容测试子系统中设置待测电容的偏置电压；

S2：利用数字信号处理子系统输出复数个不同频率的第一正弦波数字信号、程控放大控制信号至模拟链路子系统；

S3：所述的模拟链路子系统将不同频率的第一正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号进行滤波、放大处理，得到并输出第一正弦波模拟信号；

S4：利用待测电容测试子系统将第一正弦波模拟信号通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号；

S5：所述的模拟链路子系统对第二合成波模拟信号，并进行程控放大、滤波、数模转换处理之后得到一个包括复数个频率分量的第二合成波数字信号；

S6：数字信号处理子系统再根据第二合成波数字信号和第一正弦波数字信号进行计算处理得到不同的待测电容的电容值。

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