CN117630503A - 一种宽量程的电容检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电容检测技术领域，公开了一种宽量程的电容检测电路及检测方法，该电路包括：电压源、待测电容Cx、基准电容Cr、转换电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、精密检波电路、低通滤波电路、差分放大电路。本发明的电路结构，包括电路的电容信号转换流程与差分检测结构本发明的电路结构可以实现宽量程的电容检测，且具有高精度、高稳定性、高线性度等优点；基于RC高通滤波器原理的电容‑电压转换结构；本发明的电容‑电压转换结构可以实现电容值与输出电压的线性关系，且可以通过调节转换电阻的值来改变测量范围，提高了电路的灵活性和可调节性。

Description

一种宽量程的电容检测电路及检测方法

技术领域

本发明属于电容检测技术领域，尤其涉及一种宽量程的电容检测电路设计。

背景技术

电容检测技术是一种基于电容变化进行测量的技术，广泛应用于各种传感器和测量设备中。电容检测技术的核心是将电容信号转换为可测量的电压或电流信号，然后通过相应的电路进行放大、调理、数字化等处理。然而，传统的电容检测电路通常只能在有限的电容范围内进行准确的测量，对于宽量程的电容检测，其精度和稳定性往往无法满足实际应用的需求。此外，传统的电容检测电路往往受到寄生电容的影响，导致测量结果的误差。而且，对于微小电容的测量，由于电容值的变化较小，使得测量的精度和稳定性更加困难。因此，开发一种新的宽量程电容检测电路，以解决上述问题，是当前电容检测技术领域的重要研究方向：

1、现有的电容检测电路的输出特性通常呈现非线性，导致测量结果的误差。例如，使用电容电压分压器的电路，当电容值变化时，输出电压的变化并不与电容值的变化成正比，而是呈现一个曲线的关系。这就需要对输出电压进行校准或线性化，增加了电路的复杂度和成本。

2、现有的检测电路测量范围固定，若需要更改测量范围，需要对原有电路进行较大的更改。例如，使用电容电流转换器的电路，当电容值超过一定的范围时，输出电流的变化就会很小，无法被后续的电路检测到。这就需要更换不同的电阻或电感，或者增加电路的增益，增加了电路的调试和维护的难度。

与所述宽量程电容检测电路相似的现有技术是传统的电容测量电路。这种电路通常采用一个基准电容与待测电容形成比较电路，再通过一系列的信号转换和放大来确定待测电容的值。虽然这种方法在某些情况下有效，但存在以下技术问题：

1)有限的量程灵活性：传统电容测量电路通常针对特定量程设计，对于超出这一范围的电容值，其测量精度和可靠性会大大降低。这限制了电路在不同应用场景下的通用性。

2)响应速度和稳定性问题：在一些传统电路中，信号的转换和放大过程导致测量延迟，特别是在处理高频信号或高电容值时。此外，电路的稳定性也因环境变化(如温度波动)而受影响。

3)复杂性和成本问题：为了提高测量精度，传统电路需要使用多个精密元件和复杂的电路设计，这不仅增加了制造成本，还降低电路的可靠性和耐用性。

4)灵敏度和精确度限制：在某些设计中，由于元件的非理想特性(如电阻的温度系数、电容的频率依赖性)，电路的灵敏度和精确度受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽量程的电容检测电路设计。

本发明是这样实现的，一种宽量程的电容检测电路，该电路包括：电压源、待测电容Cx、基准电容Cr、转换电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、精密检波电路、低通滤波电路、差分放大电路。

进一步，该电路分为两路进行处理，一路为基准电容通道，一路为待测电容通道。

进一步，所述基准电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与基准电容Cr相连；基准电容一端连接电压源，一端连接转换电阻R1；转换电阻R1一端连接基准电容Cr和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过基准电容Cr转换为电流信号，再通过转换电阻R1转换为电压信号V1；

进一步，电压源的输入信号频率应该低于基准电容Cr与转换电阻R1组成的高通滤波器的截止频率。

进一步，所述基准电容通道具体包括：所述精密整流电路一端连接转换电阻R3，一端连接低通滤波电路；将转换得到的交流电压信号V1整流为直流电压信号。

进一步，所述精密整流电路包括：转换电阻R7、R8、R9、运算放大器和整流二极管；

所述运算放大器具有低偏置电流和低偏置电压的运算放大器；所述整流二极管应该具有较小的储备恢复时间(从通过到阻塞模式切换的最小时间)。

进一步，所述低通滤波电路具体包括：转换电路R10、R11、R12,电容C1。

进一步，所述低通滤波电路一端与精密整流电路连接，一端与R3连接；低通滤波电路采用二阶有源低通滤波，该低通滤波电路用于滤除直流电压信号中的纹波与高频噪声；该滤波器的截止频率计算公式：

R3一端与低通滤波电路相连，一端与差分放大器的负输入端相连。将低通滤波之后的直流电压信号输入到差分放大器中。

进一步，所述待测电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与待测电容Cx相连；待测电容Cx一端连接电压源，一端连接转换电阻R2。转换电阻R2一端连接待测电容Cx和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过待测电容Cx转换为电流信号，再通过转换电阻R2转换为电压信号V2；待测电容Cx与转换电阻R3组成高通滤波器，截止频率随Cx和R2的变化而变化；当输入信号频率高于截止频率时，滤波器的增益等于1；在这种情况下，由于幅度保持不变，因此不检测到电容的变化，但对于低于截止频率的频率，增益将取决于Cx的值，输出幅度将随着Cx的变化而变化；增益计算公式如下：

R4一端连接低通滤波电路，一端连接差分放大器的正输入端。将通过低通滤波的信号输入到差分放大器的正向输入端；

进一步，所述差分放大器将负输入端电压V3与正输入端电压V4相减得到输出电压Vout＝V4-V3。将Cx与输出电压Vout进行线性拟合即可得到映射关系。后续通过测量输出电压，带入拟合公式即可得到待测电容值。

进一步，所述输入信号的频率应该低于要测量的最大待测电容Cx与转换电阻R2组成的高通滤波器的截止频率。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、现有的电容检测电路的输出特性通常呈现非线性。而由于本发明采用的差分结构，有效的改善了输出特性，使得输出特性线性度提高。现有的检测电路测量范围固定，若需要更改测量范围，需要对原有电路进行较大的更改。而本电路仅需转换电阻即可实现量程的更改。

本发明的电路结构，包括电路的电容信号转换流程与差分检测结构。本发明的电路结构可以实现宽量程的电容检测，且具有高精度、高稳定性、高线性度等优点。基于RC高通滤波器原理的电容-电压转换结构。本发明的电容-电压转换结构可以实现电容值与输出电压的线性关系，且可以通过调节转换电阻的值来改变测量范围，提高了电路的灵活性和可调节性。

第二，与之相比，所述的宽量程电容检测电路通过采用高通滤波器、精密整流电路、低通滤波电路和差分放大电路，提供了更广的量程、更高的灵敏度和稳定性，以及更快的响应速度。这种设计允许电路在更广泛的应用中使用，同时提高了测量的准确性和可靠性。

本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本电路结构简单，易于实现。当需要更改量程时，可通过调整转换电阻实现。所以本发明能有效降低设备的制造成本和维护成本。同时本电路运用差分结构，有效避免了外界环境对电路的影响，提高了设备的可靠性。

第三，本发明提供的宽量程电容检测电路相较于传统电容测量技术，带来了以下显著的技术进步：

1)更广泛的测量范围：通过引入宽量程设计，电路能够有效地处理不同大小的电容值，从而适用于更广泛的应用场景。这种灵活性在传统电容测量电路中往往难以实现。

2)提高的测量精度和稳定性：采用精密整流电路和低通滤波电路，提高了测量过程中的信号稳定性和准确性。这种设计减少了环境因素(如温度变化)对测量结果的影响。

3)快速响应和实时测量能力：电路能够快速响应电容变化，并实现实时测量。这对于需要快速诊断和反馈的应用场景尤为重要。

4)减少外部干扰的影响：低通滤波电路的设计帮助减少高频噪声和纹波对测量结果的影响，从而提高了电路的抗干扰性能。

5)简化电路设计和降低成本：尽管增加了一些功能，但整体电路设计相对简洁，这有助于降低制造成本和维护难度，同时提高了电路的可靠性和耐用性。

本发明提供的宽量程电容检测电路在量程、精度、稳定性、响应速度和成本效益方面相较于传统电容测量电路取得了显著的技术进步，为各种电子和电气应用提供了一种更高效、更可靠的电容测量解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种宽量程的电容检测电路设计结构图；

图2是本发明实施例提供的精密整流电路图结构图；

图3是本发明实施例提供的低通滤波电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于本发明所述宽量程电容检测电路，以下是两个具体的实施例及其实现方案：

实施例1：电子产品质量检测

1)电路配置：在电子产品生产线上，配置宽量程电容检测电路。电路通过电压源、基准电容Cr、待测电容Cx(电子产品中的电容)，以及转换电阻R1至R6、精密整流电路、低通滤波电路和差分放大电路组成。

2)质量控制流程：在生产线的质量控制阶段，将电子产品中的待测电容Cx连接到电路中。电压源提供输入信号，该信号通过电容Cx转换为电流信号，再通过转换电阻转换为电压信号V1，经过精密整流、低通滤波和差分放大处理。

3)数据读取与分析：差分放大电路输出的信号用于计算电容Cx的实际值。通过与预设的电容标准值进行比较，可快速检测出不符合质量标准的电容器件。

实施例2：环境监测传感器的电容校准

1)电路部署：在环境监测系统中，部署宽量程电容检测电路。该电路用于校准和测试传感器中的关键电容组件。

2)校准过程：将环境监测传感器中的待测电容Cx与电路连接。电路利用电压源、基准电容Cr及相关电路组件来测量电容Cx的实际值。

3)性能调整：根据测量结果调整传感器的性能参数，确保其在环境监测时的精确性和可靠性。通过调整电路参数，可以对不同范围的电容值进行精确校准。

在这两个实施例中，宽量程电容检测电路展示了其在不同应用领域的灵活性和效能，特别是在需要高精度和宽量程电容测量的场合。通过这种高度精确和可靠的测量技术，可以显著提高产品质量控制的效率和环境监测系统的性能。

如图1所示，本发明提供一种宽量程的电容检测电路，该电路包括：电压源、待测电容Cx、基准电容Cr、转换电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、精密检波电路、低通滤波电路、差分放大电路。

该电路分为两路进行处理，一路为基准电容通道，一路为待测电容通道。

所述基准电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与基准电容Cr相连；基准电容一端连接电压源，一端连接转换电阻R1；转换电阻R1一端连接基准电容Cr和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过基准电容Cr转换为电流信号，再通过转换电阻R1转换为电压信号V1；

电压源的输入信号频率应该低于基准电容Cr与转换电阻R1组成的高通滤波器的截止频率。

所述基准电容通道具体包括：所述精密整流电路一端连接转换电阻R3，一端连接低通滤波电路；将转换得到的交流电压信号V1整流为直流电压信号。

如图2所示，所述精密整流电路包括：转换电阻R7、R8、R9、运算放大器和整流二极管；

所述运算放大器具有低偏置电流和低偏置电压的运算放大器；所述整流二极管应该具有较小的储备恢复时间(从通过到阻塞模式切换的最小时间)。

如图3所示，所述低通滤波电路具体包括：转换电路R10、R11、R12,电容C1。

如图1所示，所述低通滤波电路一端与精密整流电路连接，一端与R3连接；低通滤波电路采用二阶有源低通滤波，该低通滤波电路用于滤除直流电压信号中的纹波与高频噪声；该滤波器的截止频率计算公式：

R3一端与低通滤波电路相连，一端与差分放大器的负输入端相连。将低通滤波之后的直流电压信号输入到差分放大器中。

如图1所示，所述待测电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与待测电容Cx相连；待测电容Cx一端连接电压源，一端连接转换电阻R2。转换电阻R2一端连接待测电容Cx和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过待测电容Cx转换为电流信号，再通过转换电阻R2转换为电压信号V2；待测电容Cx与转换电阻R3组成高通滤波器，截止频率随Cx和R2的变化而变化；当输入信号频率高于截止频率时，滤波器的增益等于1；在这种情况下，由于幅度保持不变，因此不检测到电容的变化，但对于低于截止频率的频率，增益将取决于Cx的值，输出幅度将随着Cx的变化而变化；增益计算公式如下：

R4一端连接低通滤波电路，一端连接差分放大器的正输入端。将通过低通滤波的信号输入到差分放大器的正向输入端；

所述差分放大器将负输入端电压V3与正输入端电压V4相减得到输出电压Vout＝V4-V3。将Cx与输出电压Vout进行线性拟合即可得到映射关系。后续通过测量输出电压，带入拟合公式即可得到待测电容值。

所述输入信号的频率应该低于要测量的最大待测电容Cx与转换电阻R2组成的高通滤波器的截止频率。

本电路可以用于基于叉指电极的山火检测系统。当使用叉指电极进行火灾检测时，受到外界环境的影响，叉指电极的变化范围较广。本电路可以用于检测叉指电极的电容变化，从而预测是否有火灾发生。

本电路还可以应用与基于平面电容无损检测电路。现如今平面电容检测电路被用于各种无损检测环境，当被检测物体存在缺陷时，会使得平面电容的电容值发生变化。通常此电容变化范围较大，运用本电路可以有效的检测出电容的变化情况，从而实现缺陷的检测。

使用multisim进行仿真实验。将电容值为100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000pF的十个电容接入电路进行检测。根据电路输出的电压值得到相应的电容值，实验结果如下：

可以看到本电路进行电容检测时，待测电容标称值与电路输出电压值具有较好的线性关系，同时电容测量值相较于电容标称值之间的相对误差极低，具有较宽的测量量程(100pF-1000pF)。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽量程的电容检测电路，其特征在于，宽量程的电容检测电路利用电压源、待测电容Cx与基准电容Cr，通过转换电阻R1至R6、精密整流电路、低通滤波电路和差分放大电路，实现基准电容通道和待测电容通道的电容检测；在此过程中，电压源的输入信号先通过电容转换为电流信号，再经转换电阻转换为电压信号V1，然后通过精密整流电路和低通滤波电路处理，最终通过差分放大电路进行信号放大。

2.如权利要求1所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，该电路包括：电压源、待测电容Cx、基准电容Cr、转换电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、精密检波电路、低通滤波电路、差分放大电路；该电路分为两路进行处理，一路为基准电容通道，一路为待测电容通道。

3.如权利要求2所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，所述基准电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与基准电容Cr相连；基准电容一端连接电压源，一端连接转换电阻R1；转换电阻R1一端连接基准电容Cr和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过基准电容Cr转换为电流信号，再通过转换电阻R1转换为电压信号V1。

4.如权利要求3所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，电压源的输入信号频率应该低于基准电容Cr与转换电阻R1组成的高通滤波器的截止频率；所述基准电容通道具体包括：所述精密整流电路一端连接转换电阻R3，一端连接低通滤波电路；将转换得到的交流电压信号V1整流为直流电压信号。

5.如权利要求2所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，所述精密整流电路包括：转换电阻R7、R8、R9、运算放大器和整流二极管；

所述运算放大器具有低偏置电流和低偏置电压的运算放大器；所述整流二极管应该具有较小的储备恢复时间；所述低通滤波电路具体包括：转换电路R10、R11、R12,电容C1。

6.如权利要求2所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，所述低通滤波电路一端与精密整流电路连接，一端与R3连接；低通滤波电路采用二阶有源低通滤波，该低通滤波电路用于滤除直流电压信号中的纹波与高频噪声。该滤波器的截止频率计算公式：

R3一端与低通滤波电路相连，一端与差分放大器的负输入端相连。将低通滤波之后的直流电压信号输入到差分放大器中。

7.如权利要求2所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，所述待测电容通道具体包括：电压源一端接地，一端与待测电容Cx相连；待测电容Cx一端连接电压源，一端连接转换电阻R2。转换电阻R2一端连接待测电容Cx和精密整流电路，一端接地；电压源的电压输入信号通过待测电容Cx转换为电流信号，再通过转换电阻R2转换为电压信号V2；待测电容Cx与转换电阻R3组成高通滤波器，截止频率随Cx和R2的变化而变化；当输入信号频率高于截止频率时，滤波器的增益等于1；在这种情况下，由于幅度保持不变，因此不检测到电容的变化，但对于低于截止频率的频率，增益将取决于Cx的值，输出幅度将随着Cx的变化而变化；增益计算公式如下：

R4一端连接低通滤波电路，一端连接差分放大器的正输入端。将通过低通滤波的信号输入到差分放大器的正向输入端。

8.如权利要求7所述的宽量程的电容检测电路，其特征在于，所述差分放大器将负输入端电压V3与正输入端电压V4相减得到输出电压Vout＝V4-V3。将Cx与输出电压Vout进行线性拟合即可得到映射关系。后续通过测量输出电压，带入拟合公式即可得到待测电容值；

所述输入信号的频率应该低于要测量的最大待测电容Cx与转换电阻R2组成的高通滤波器的截止频率。

9.一种基于权利要求1至9电容检测电路的宽量程电容检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信号生成：通过电压源产生输入信号，该信号频率需低于由基准电容Cr与转换电阻R1组成的高通滤波器截止频率；

2)信号转换：输入信号通过基准电容Cr和待测电容Cx转换为电流信号，随后通过转换电阻R1转换为电压信号V1；

3)信号处理：将得到的电压信号V1送入精密整流电路，转换为直流电压信号；

4)滤波处理：将直流电压信号通过低通滤波电路进行处理，滤除信号中的纹波与高频噪声；

5)信号放大：经过低通滤波的信号送入差分放大电路进行放大处理；

6)输出：输出经过放大处理的信号，以便进行后续的电容值读取和分析。

10.如权利要求9所述的宽量程电容检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)两路处理：将检测电路分为基准电容通道和待测电容通道，分别处理；

2)基准电容通道：在基准电容通道中，电压源经过基准电容Cr转换信号，再通过转换电阻R1转换为电压信号V1，并经过精密整流电路转换为直流电压信号；

3)待测电容通道：在待测电容通道中，类似操作将电压源经待测电容Cx转换的信号处理为直流电压信号；

4)低通滤波：在两个通道中，分别将得到的直流电压信号通过低通滤波电路，去除纹波和高频噪声；

5)差分放大与对比：将两个通道的输出信号送入差分放大电路，对信号进行放大并进行对比分析，以确定待测电容Cx的容值。