CN204177872U - 一种绝对电容和差动电容测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种绝对电容和差动电容测量电路，包括一种测量绝对电容的晶体震荡电路和一种差动电容测量电路；该电路利用了晶体震荡电路的原理，所用元器件均为常用的电子元件，不仅结构简单、电路占地面积小，而且元件采购方便、功耗低、成本极低；电路采用单电源供电，供电电源VCC的电压为2V～6V，完全兼容TTL和CMOS电平，具有更广泛的应用范围；该电路分辨率主要取决于频率测量的精度，目前频率测量技术成熟，可实现高精度的电容测量；其中差动电容测量电路仅用一个D触发器就实现了频率差的提取，电路简单，并且差动电容测量电路可测差动电容也可测绝对电容。

Description

一种绝对电容和差动电容测量电路

技术领域

本实用新型涉及一种电容测量电路，尤其涉及一种利用晶体震荡电路来测量绝对电容和差动电容的电容测量电路，属于电工电子测量装置领域。

背景技术

目前电容测量与处理电路大致可分为：调频法电路、电桥法、直流充放电电路、同步解调器法等。

(1)调频法也叫振荡电路法，它是基于电容/频率转换的思想来检测所测电容的。此类方法是将电容传感器放置于LC或RC谐振回路中组成振荡电路，当被测电容发生变化时，振荡电路的振荡频率将随之变化，通过鉴频电路或计数电路将信号的频率变化量检测出来即得到被测电容的变化。该方法具有结构简单、抗电磁干扰能力强、便于信号传输、输出易于数字化及可获得高电平输出的优点。主要存在的问题是：输出非线性较大；动态特性差。

(2)桥式法也叫调幅法，在较低的频率经常采用此方法实现电容变化的精确测量。交流电桥将电容式传感器接入电桥作为四个相邻臂，通常采用电阻/电容或者电感/电容组成交流电桥，由电容变换转换为电桥的电压输出。再经过放大，检波以及滤波后，输出电压信号。也可以采用差动电容，分别作为比例桥臂，这样可以进一步提高测量精度，减小非线性误差。这种方法的测量精度高，灵敏度和稳定性也好，且寄生电容影响小。但是此方法要求一个高阻抗、低温漂移的运算放大器，这对设计能力和工艺条件来说都具有较高的难度。

(3)直流充放电电路中性能较为优良的电路当属开关电容电路它通过控制几个CMOS开关的通断，对被测电容实行充放电，通过运算放大器A输出一个与被充放电电容相关的电压值以达到测量电容的目的，如专利“差动电容测量电路及多量程测量仪(No:88106571.4)”和专利“电容测量电路与方法(No:01143629.8)”。但是该类型的电路往往采用大量的电子开关，而电子开关往往会带来电荷注入效应导致测量误差，另外，直流电路必然存在着漂移，这使整体电路容易产生零点不稳的问题。

(4)同步解调器法根据电容变化调制正弦或方波振荡的振幅并利用低通滤波转换为测量信号。它使用传感器电子设备上的脉冲电荷转移的标准Δ-Σ调制器:在输入端利用基准电压操作Δ-Σ调制器并评估在输入端支路中电容的变化来测量电容值，如专利“电容测量电路、传感器系统及使用正弦电压信号测量电容的方法(No:201180049243.9)”。该方法测量精度较高，但需要提供正弦波或方波以及正负电源，因此测量电路复杂，成本较高。

发明内容

针对现有电容测量电路和方法存在的问题，本实用新型公开了一种绝对电容和差动电容测量电路，即一种利用晶体震荡电路来测量绝对电容和差动电容的电容测量电路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种绝对电容和差动电容测量电路，包括测量绝对电容的晶体震荡电路和差动电容测量电路。

所述一种测量绝对电容的晶体震荡电路，包括两个NPN三级管Q1和Q2，四个电阻R1、R2、R3和R4，三个已知电容C1、C2和C3，一个电感L1，一个晶体震荡器Y1，一个反相器U1A和待测电容Cx。

所述待测电容Cx的一号端接地，二号端接晶体震荡器Y1的一号端；晶体震荡器Y1的二号端、电阻R1、R2各自一号端和电容C1的一号端相接，并连接到了NPN三级管Q1的基极；电阻R1的二号端接电源VCC，R2的二号端接地，即R1、R2串联中间抽头接到了三级管Q1的基极，利用它们对电源VCC的分压来提供晶体震荡器Y1的起振电压。

所述电容C1的二号端、电容C2的一号端、电感L1的一号端和NPN三级管Q1的发射极相接，并连接到了NPN三级管Q2的基极；NPN三级管Q1、Q2的集电极均接到了电源VCC。

所述电容C2的二号端、电感L1的二号端、电容C3的一号端和电阻R3的一号端相接；电容C3的二号端和电阻R3的二号端均与地相接；这样电容C2和L1就构成一个LC回路，其谐振频率f₀可由下式计算：式中C2为电容C2的电容值，L1为电感L1的电感值；实际应用中晶体震荡器的标称频率应大于f₀，以使电路起振。

所述NPN三级管Q2的发射极与电阻R4的一号端和反相器U1A的输入端相连，电阻R4的二号端与地相连；反相器U1A的作用是对输出波形进行整形，因为NPN三级管Q2的发射极输出波形为不规则但近似正弦的波形，经反相器U1A整形后输出信号变为一定频率的方波。

所述反相器U1A整形后输出信号频率与晶体震荡器Y1的标称频率和待测电容Cx的电容值大小有关；当晶体震荡器Y1确定后，待测电容Cx的电容值变化时，会引起反相器U1A输出信号的频率发生变化，在一定温度范围内，这种变化是线性的，这样通过测量反相器U1A输出信号的频率就可以得到待测电容Cx的电容值，所测得的电容值为待测电容Cx的绝对电容值，该电容值的测量精度与反相器U1A输出信号的频率测量精度有关，在一写范围内，频率测量精度越高，电容值测量精度就越高。

所述差动电容测量电路，包括一待测差动电容、一晶体震荡电路1、一晶体震荡电路2和一频率差提取电路。

所述待测差动电容一般有三个极板，它们分别是上极板、中间极板和下级板，每块级板均引出导线，这样上极板和中间极、中间极板和下级板分别构成一个电容，可设为电容Cx1和电容Cx2；则中间极板的位置变化时，电容Cx1和电容Cx2的电容值均会发生变化，设变化量为Cd，若电容Cx1的电容值增大了Cd/2，则电容Cx2的电容值相应的减小Cd/2，反之亦然；本发明所述一种差动电容测量电路主要用来测量该变化量Cd。

所述晶体震荡电路1和晶体震荡电路2均与测量绝对电容的晶体震荡电路结构相同；差动电容三个极板间形成的两个电容可分别视为晶体震荡电路1和晶体震荡电路2中的待测电容；其中上极板的引出线接晶体震荡电路1中晶体震荡器的一号端，中间极板接地，下极板接晶体震荡电路2中晶体震荡器的一号端，这样相当于晶体震荡电路1用于测量电容Cx1，晶体震荡电路2用于测量电容Cx2；为了得到电容Cx1和电容Cx2的电容值变化方向，测量电路1和测量电路2中晶体震荡器的标称频率不应相同。

所述一频率差提取电路作用是对前文所述晶体震荡电路1和晶体震荡电路2的输出信号求频率差；该电路的核心为一个D触发器，晶体震荡电路1的反相器输出端接D触发器的D端，晶体震荡电路2的反相器输出端接D触发器的CLK端，D触发器的CLR和PR端接电源VCC，频率差提取电路的输出信号为D触发器的输出端Q的输出信号，该信号的频率即为晶体震荡电路1和晶体震荡电路2的输出信号的频率差；频率差提取电路的输出信号的频率与差动电容的电容变化量Cd成线性关系，因些通过测量频率差提取电路的输出信号的频率就可以得到Cd，同时该电容值测量精度与输出信号的频率测量精度有关，在一写范围内，频率测量精度越高，电容值测量精度就越高。

所述差动电容测量电路，当差动电容上极板或下极板接地，其它电路不变时，可测得电容Cx2或电容Cx1的绝对电容值。

本发明的优点和积极效果：

1、本电路采用单电源供电，供电电源VCC的电压可为2V～6V，完全兼容TTL和CMOS电平，具有更广泛的应用范围。

2、电路结构简单，所用元器件为均常用的电子元件，不仅电路占地面积小、功耗低，而且元件采购方便、成本极低。

3、本电路分辨率主要取决于频率测量的精度，目前频率测量技术成熟，可实现高精度的电容测量。

4、仅用一个D触发器就实现了频率差的提取，电路简单，并且差动电容测量电路可测 差动电容也可测绝对电容。

附图说明

图1是绝对电容测量电路；

图2是Cx为7pF时绝对电容测量电路的输出信号；

图3是Cx为20pF时绝对电容测量电路的输出信号；

图4是差动电容测量电路功能框图

图5是两路晶体震荡电路；

图6是频率差提取电路；

图7是Cx1为20pF、Cx2为22pF时频率差提取电路的输出波形；

图8是Cx1为20pF、Cx2为27pF时频率差提取电路的输出波形；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

一、测量绝对电容的晶体震荡电路电路图如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)图1为本实用新型一种绝对电容和差动电容测量电路中的测量绝对电容的晶体震荡电路。如图1所示该电路包括两个NPN三级管Q1和Q2，四个电阻R1、R2、R3和R4，三个已知电容C1、C2和C3，一个电感L1，一个晶体震荡器Y1，一个反相器U1A和待测电容Cx。

(2)如图1所示待测电容Cx的一号端接地，二号端接晶体震荡器Y1的一号端；晶体震荡器Y1的二号端、电阻R1、R2各自一号端和电容C1的一号端相接，并连接到了NPN三级管Q1的基极；电阻R1的二号端接电源VCC，R2的二号端接地，电容C1的二号端、电容C2的一号端、电感L1的一号端和NPN三级管Q1的发射极相接，并连接到了NPN三级管Q2的基极；NPN三级管Q1、Q2的集电极均接到了电源VCC；电容C2的二号端、电感L1的二号端、电容C3的一号端和电阻R3的一号端相接；电容C3的二号端和电阻R3的二号端均与地相接；NPN三级管Q2的发射极与电阻R4的一号端和反相器U1A的输入端相连，电阻R4的二号端与地相连。

(3)反相器U1A整形后输出信号频率与晶体震荡器Y1的标称频率和待测电容Cx的电容值大小有关；当晶体震荡器Y1确定后，待测电容Cx的电容值变化时，会引起反相器U1A输出信号的频率发生变化，在一定温度范围内，这种变化是线性的，这样通过测量反相器U1A输出信号的频率就可以得到待测电容Cx的电容值。

(4)图2为待测电容Cx电容大小为7pF时反相器U1A的输出波形，图3为待测电容 Cx电容大小为20pF时反相器U1A的输出波形；从图2和图3可以看出，输出信号的频率分别为4.91476MHz和4.91520MHz，电容值增大13pF时，输出信号的频率增加了440Hz，以后续频率测量电路的频率分辨率为0.1Hz计，电容测量精度将小于0.003pF，若频率分辨率提高，电容测量精度还可以更高，目前频率测量技术成熟，可见该电容测量电路具有很高的测量精度。

二、差动电容测量电路功能框图如图4所示，具体实施步骤如下：

(1)图4为差动电容测量电路功能框图。图4中差动电容等效电路为待测差动电容的等效电路，其中A、B和C三个端子，分别表示待测差动电容的上极板、下级板和中间极板的引出导线，待测差动电容上极板和中间极构成的电容等效为电容Cx1，待测差动电容中间极板和下级板构成的电容等效为电容Cx2；图中差动电容的A端接晶体震荡电路1的输入端，差动电容的B端接晶体震荡电路2的输入端；晶体震荡电路1的输出端和晶体震荡电路2的输出端分别接到了频率差提取电路的两个输入端；频率差提取电路的输出信号的频率为晶体震荡电路1的输出信号的频率与晶体震荡电路2的输出信号的频率之差，该频率正比与电容Cx1和电容Cx2的电容值之差。

(2)如图5所示为两路晶体震荡电路。图5中椭圆虚线框内电路对应于图4中的“差动电容等效电路”，右上方虚线框内电路对应于图4中的“晶体震荡电路1”，右下方虚线框内电路对应于图4中的“晶体震荡电路2”；如图5所示差动电容的其中一个等效电容Cx1和晶体振荡电路1构成的电路与差动电容的另一个等效电容Cx2和晶体振荡电路2构成的电路结构完全相同，且这两个构成电路与图1所示电路结构也相同，因此可以参考图1中的连接关系，这里不再详述，但实际应用中根据需求，所用元件参数可能与图1中不同。

(3)如图6所示为频率差提取电路的电路图，对应于图4中的“频率差提取电路”，其核心为一个D触发器。图4中输入信号F_Cx1与图5中输出信号F_Cx1相连接，输入信号F_Cx2与图5中输出信号F_Cx2相连接，输出信号F_OUT对应于图4中的“差频信号”。

(4)如图7为用一个20pF的电容代替差动电容的等效电容Cx1、用一个22pF的电容代替差动电容的等效电容Cx2时，频率差提取电路输出的“差频信号”波形，从图中可以看出该信号频率为82.1441Hz；如图8为用一个20pF的电容代替差动电容的等效电容Cx1、用一个27pF的电容代替差动电容的等效电容Cx2时，频率差提取电路输出的“差频信号”波形，从图中可以看出该信号频率为175.185Hz；即Cx2的电容值增加了5pF，“差频信号”频率增加了93.0409Hz，同样设后续频率测量电路的频率分辨率为0.1Hz，则电容测量精度小于0.0054pF，若频率分辨率提高，电容测量精度还可以更高，目前频率测量技术成熟，可见该电容测量电路具有很高的测量精度。

三、上述电容测量电路的实现方法，还还包括如下步骤：

(1)如图1所示“绝对电容测量电路”中为了获得足够的起振电压，应适当调节电阻R1和R2的比值，可将其中一个先用定位器代替，当调节到合适位置后记下该位置阻值并用固定电阻取代；为了使NPN三级管Q2的发射极有足够的输出电压以驱动反相器对输出信号整形，电阻R4的阻值不宜过大；电容C2和L1构成一个LC回路，其谐振频率f₀可由下式计算：式中C2为电容C2的电容值，L1为电感L1的电感值；实际应用中晶体震荡器的标称频率应大于f₀，以使电路起振；同样为了保证NPN三级管Q2的发射极有足够的输出电压，所选晶体震荡器的标称频率也不宜过大，但应大于f₀。差动电容测量电路中的晶体震荡电路1和晶体震荡电路2的情况与上述“绝对电容测量电路”相同。

(2)差动电容测量电路中输出的“差频信号”F_OUT的频率为“晶体振荡电路1”的输出信号F_Cx1的频率和“晶体振荡电路2”的输出信号F_Cx2的频率差。由图2、图3发现待测电容的电容值越大时输出频率越大，同时由图7、图8发现待测差动电容两个等效电容的电容值相差越大时输出频率越大，实际应用中Cx1增大多少，Cx2就减小多少，同样Cx1减小多少，Cx2就增大多少，为了得到两个电容的电容值变化方向，晶体振荡器Y1和Y2的标称频率应该不同，但相差不宜过大；设Y1标称频率比Y2标称频率大Δf，则Cx1电容值等于Cx2电容值时，输出“差频信号”的频率就会等于Δf，Cx1电容值大于Cx2电容值时，输出“差频信号”的频率就会大于Δf，反之则小于Δf，且电容值相差越大，“差频信号”的频率与Δf也相差的越大，这样就可区分两个电容的电容值变化方向和精确测量这个变化量的大小了。

Claims (2)

1.一种绝对电容和差动电容测量电路，其特征在于：包括测量绝对电容的晶体震荡电路和差动电容测量电路；其中测量绝对电容的晶体震荡电路包括：两个NPN三级管Q1和Q2，四个电阻R1、R2、R3和R4，三个已知电容C1、C2和C3，一个电感L1，一个晶体震荡器Y1，一个反相器U1A和一个待测电容Cx；

所述待测电容Cx的一号端接地，二号端接晶体震荡器Y1的一号端；晶体震荡器Y1的二号端、电阻R1、R2各自的一号端和电容C1的一号端相接，并连接到了NPN三级管Q1的基极；电阻R1的二号端接电源VCC，R2的二号端接地；

所述电容C1的二号端、电容C2的一号端、电感L1的一号端和NPN三级管Q1的发射极相接，并连接到了NPN三级管Q2的基极；NPN三级管Q1、Q2的集电极均接到了电源VCC；

所述电容C2的二号端、电感L1的二号端、电容C3的一号端和电阻R3的一号端相接；电容C3的二号端和电阻R3的二号端均与地相接；这样电容C2和L1就构成一个LC回路，其谐振频率f₀可由下式计算：实际应用中晶体震荡器的标称频率应大于f₀，以使电路起振；

所述NPN三级管Q2的发射极与电阻R4的一号端和反相器U1A的输入端相连，电阻R4的二号端与地相连；

所述反相器U1A的输出端接后续的频率测量电路，通过测量输出频率得到所测电容的绝对电容值；

所述的差动电容测量电路包括：一待测差动电容、一晶体震荡电路1、一晶体震荡电路2和一频率差提取电路；

所述的晶体震荡电路1和晶体震荡电路2均与所述的测量绝对电容的晶体震荡电路的结构相同；差动电容三个极板间形成的两个电容可分别视为晶体震荡电路1和晶体震荡电路2中的待测电容；其中待测差动电容上极板接晶体震荡电路1中晶体震荡器的一号端，中间极板接地，下极板接晶体震荡电路2中晶体震荡器的一号端；晶体震荡电路1和晶体震荡电路2中晶体震荡器的标称频率不相同，可得到差动电容的电容值变化方向；

所述的频率差提取电路的核心为一个D触发器，晶体震荡电路1的反相器输出端接D触发器的D端，晶体震荡电路2的反相器输出端接D触发器的CLK端，D触发器的CLR和PR端接电源VCC；频率差提取电路的输出信号为D触发器的输出端Q的输出信号，D触发器的输出端Q接后续的频率测量电路，通过测量D触发器的输出端Q的输出频率得到所测 差动电容的电容差值。

2.根据权利要求1所述的一种绝对电容和差动电容测量电路，其特征是：所述的差动电容测量电路，当差动电容上极板接地，其它电路不变时，可测得下极板与地之间形成的电容的绝对电容值；当差动电容下极板接地，其它电路不变时，可测得上极板与地之间形成的电容的绝对电容值。