CN214067270U - 一种基于恒流源的电容容值测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种结构简单、成本低、抗干扰能力强且测量范围广的基于恒流源的电容容值测量电路。本实用新型包括标准电源、电容充放电单元（1）和频率采集单元（2），其集成于一块电路板上，电容充放电单元对待测电容（C25）进行恒流充电和恒流放电，频率采集单元连接在待测电容的两端并对电容充放电单元的恒流充电过程和恒流放电过程进行频率采集；本实用新型通过电容充放电单元对待测电容进行恒流充电，在充电的电压达到设定值后，通过开关控制对待测电容进行恒流放电，在放电的电压达到设定值后，通过频率采集单元进行恒流充放电的频率采集，再通过电容容值计算公式即可得到待测电容的容值。本实用新型可应用于测试领域。

Description

一种基于恒流源的电容容值测量电路

技术领域

本实用新型涉及测量领域，尤其涉及一种基于恒流源的电容容值测量电路。

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，对消费类电子产品测量的设备需求也越来越大。目前电子产品的功能多样化，对产品功能测试的需求也更加全面。例如，测量电容容值的需求日益增多。现如今对电容容值测量的设备一般是采用大体积的LCR仪器进行。虽然采用大体积的LCR仪器对电容容值进行测量能够保证较高的测量精度，但其体积大，需要占用较大的空间，且测量操作复杂，测量时间较长，且价格昂贵，动辄几万元人民币。目前，市面上也有采用小体积的测试设备对电容容值进行测量，但其只能测量独立的电容个体，无法测量板载电容，造成测量范围极窄，且其测量精度较低，很难满足高精度测量的需求。此外，现有的电容容值测量的原理一般是采用RC充电方式进行测量。但该方式容易受到干扰，且无法保证测试精度，造成测量结果无效，进而需要重复测量，造成了资源的浪费。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、抗干扰能力强且测量范围广的基于恒流源的电容容值测量电路。

本实用新型所述基于恒流源的电容容值测量电路所采用的技术方案是，它包括标准电源，所述电容容值测量电路集成于一块电路板上，它还包括电容充放电单元和频率采集单元，

所述电容充放电单元对待测电容进行恒流充电和恒流放电，

所述频率采集单元连接在待测电容的两端并对所述电容充放电单元的恒流充电过程和恒流放电过程进行频率采集，通过充放电频率获取待测电容的容值；

所述电容充放电单元包括恒流源充电电路、恒流源放电电路、第一开关和第二开关，所述恒流源充电电路的正极、所述第一开关、所述第二开关及所述恒流源放电电路的负极依次连接，所述恒流源充电电路的负极与所述恒流源放电电路的正极连接，待测电容的一端连接在所述第一开关和所述第二开关的连接点之间，另一端连接在所述恒流源充电电路的负极与所述恒流源放电电路的正极之间。

进一步地，所述恒流源充电电路包括第十运放器和第二场效应管,所述第十运放器的输出脚与所述第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与所述第十运放器的负输入脚连接，所述第二场效应管的漏极通过第三二极管与待测电容的一端连接。

再进一步地，所述恒流源放电电路包括第十三运放器、第十二运放器和第一场效应管,所述第十三运放器的输出脚与所述第十二运放器的正输入脚连接，所述第十二运放器的输出脚与所述第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的源极分别与所述第十二运放器的负输入脚、所述第十三运放器的输出脚及负输入脚连接，所述第一场效应管的漏极通过第四二极管与待测电容的一端连接。

又进一步地，所述频率采集单元包括第一仪表运放器、比较器、电平转换运放器和MCU，所述第一仪表运放器的两个输入脚分别与待测电容的两端连接，所述第一仪表运放器的输出脚与所述比较器的输入端相连接，所述比较器的输出端与所述电平转换运放器相连接，所述电平转换运放器将电平转换成标准的方波信号后输入到所述MCU。

此外，在所述比较器的输出端上还连接有开关控制电路，所述开关控制电路的输出端分别与所述第一开关及所述第二开关相连接。

进一步地，所述MCU选取型号为STM32F103的单片机。

再进一步地，所述开关控制电路由型号为TS5A4594的模拟开关构成。

更加具体地，所述标准电源为标准5V电源，在所述标准电源的输出端设置有第二仪表运放器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过电容充放电单元对待测电容进行恒流充电，在充电的电压达到设定值后，通过开关控制对待测电容进行恒流放电，在放电的电压达到设定值后，通过频率采集单元进行恒流充放电的频率采集，再通过电容容值计算公式即可得到待测电容的容值；本实用新型通过恒流源实现电容充放电，大大地提高了整个测量电路的抗干扰能力，并保证了测量精度；另外，本实用新型电路集成于一块电路板上，与现有技术相比，极大地减小了体积，使其占用空间小，实用性强，使用灵活，移植性强，更是大大地降低了成本；此外，利用本实用新型电路既能够测量单体电容，同时能够实现板载电容的测量，实现了宽范围的测量，提高了电路适用性。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型的恒流源充放电电路原理图；

图3是本实用新型频率采集的电路原理图；

图4是所述电平转换运放器转换前后的频率波形图。

具体实施方式

本实用新型的具体原理如下。

本实用新型包括标准电源。所述标准电源为标准5V电源，在所述标准电源的输出端设置有第二仪表运放器U7，在这里，所述第二仪表运放器U7的型号为OPA2277。所述电容容值测量电路集成于一块电路板上，它还包括电容充放电单元1和频率采集单元2。

所述电容充放电单元1对待测电容C25进行恒流充电和恒流放电，所述频率采集单元2连接在待测电容C25的两端并对所述电容充放电单元1的恒流充电过程和恒流放电过程进行频率采集，通过充放电频率获取待测电容C25的容值。所述电容充放电单元1包括恒流源充电电路11、恒流源放电电路12、第一开关K1和第二开关K2，所述恒流源充电电路11的正极、所述第一开关K1、所述第二开关K2及所述恒流源放电电路12的负极依次连接，所述恒流源充电电路11的负极与所述恒流源放电电路12的正极连接，待测电容C25的一端连接在所述第一开关K1和所述第二开关K2的连接点之间，另一端连接在所述恒流源充电电路11的负极与所述恒流源放电电路12的正极之间。

所述恒流源充电电路11包括第十运放器U10和第二场效应管Q2B,所述第十运放器U10的输出脚与所述第二场效应管Q2B的栅极连接，所述第二场效应管Q2B的源极与所述第十运放器U10的负输入脚连接，所述第二场效应管Q2B的漏极通过第三二极管D3与待测电容C25的一端连接。在本实施例中，所述第十运放器U10的型号为OPA2277；所述第二场效应管Q2B的型号为2N7002。所述恒流源放电电路12包括第十三运放器U13、第十二运放器U12和第一场效应管Q2A,所述第十三运放器U13的输出脚与所述第十二运放器U12的正输入脚连接，所述第十二运放器U12的输出脚与所述第一场效应管Q2A的栅极连接，所述第一场效应管Q2A的源极分别与所述第十二运放器U12的负输入脚、所述第十三运放器U13的输出脚及负输入脚连接，所述第一场效应管Q2A的漏极通过第四二极管D4与待测电容C25的一端连接。在本实施例中，所述第十三运放器U13的型号为OPA2277；所述第十二运放器U12的型号为OPA2277；所述第一场效应管Q2A的型号为FDV301N。

所述频率采集单元2包括第一仪表运放器U6、比较器U9、电平转换运放器U8和MCU，所述第一仪表运放器U6的两个输入脚分别与待测电容C25的两端连接，所述第一仪表运放器U6的输出脚与所述比较器U9的输入端相连接，所述比较器U9的输出端与所述电平转换运放器U8相连接，所述电平转换运放器U8将电平转换成标准的方波信号后输入到所述MCU。在本实施例中，所述MCU选取型号为STM32F103的单片机；所述第一仪表运放器U6的型号为AD8421；所述比较器U9的型号为LMV393ID；所述电平转换运放器U8的型号为OPA2277。

在所述比较器U9的输出端上还连接有开关控制电路21，所述开关控制电路的输出端分别与所述第一开关K1及所述第二开关K2相连接。在本实施例中，所述开关控制电路21由型号为TS5A4594的模拟开关U11构成。

利用上述基于恒流源的电容容值测量电路对待测电容进行容值测量的方法包括以下步骤：

a.首先闭合所述第一开关K1，所述恒流源充电电路11对待测电容C25进行恒流充电；

b.当充电电压达到设定的电压值后，所述比较器U9输出低电平到所述电平转换运放器U8后，电平信号被转换为标准的方波信号，该方波信号输入到所述MCU，进行充电时的频率采集；

c.所述开关控制电路断开所述第一开关K1，闭合所述第二开关K2，对待测电容C25进行恒流放电；

d.当放电电压达到设定值后，所述比较器U9输出高电平到所述电平转换运放器U8后，电平信号被转换为标准的方波信号，该方波信号输入到所述MCU，进行充电时的频率采集；

e.当所述MCU获取到充放电频率后由下面的公式计算出待测电容容值，

U=（I/C）*T ，C=I*(T/U)，其中，

U为待测电容两端电压，I为待测电容充放电电流，C为待测电容容值，T为充放电频率。

此外，为了提供稳定、高精度的电容测量电路，本实用新型采取校准的方式去达到该目的，通过电路的校准，去弥补电路的不足。校准方法是采用LCR表作为校准标准，再使用电路测量电容容值，将误差值记录在MCU的FLASH中供测试时做补偿使用，经过补偿，在测量电容的充放电频率后，计算电容容值时，将补偿值计算进来，即可实现容值测量校准。

本实用新型采用精密恒流源充放电，使电容充电斜率和放电斜率一致，从而保证频率稳定，可达1‰以内的精度；此外，采用高带宽的运放和MCU处理，大大地提高了响应速度；本实用新型将电路集成于一块电路板（PCB板）上，使得电路稳定可靠，且能够在不同的设备上装置，方便移植；另外，本实用新型成本低，整体成本可以控制在100RMB以内，大大地优于现有技术采用的昂贵的设备。

可见，本实用新型可高精度测量板载电容及独立电容容量功能，电路集成度高，稳定可靠，测量时间快，可应用于消费类电子产品的测试设备行业当中。

需要说明的是，在成本允许的情况下，可以使用现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等进行充电频率（时间）测量。还可以根据实际应用的精度需求更换低精度的电源、低成本的比较器、不同型号的MOS管等。

Claims (8)

1.一种基于恒流源的电容容值测量电路，包括标准电源，其特征在于：所述电容容值测量电路集成于一块电路板上，它还包括电容充放电单元（1）和频率采集单元（2），

所述电容充放电单元（1）对待测电容（C25）进行恒流充电和恒流放电，

所述频率采集单元（2）连接在待测电容（C25）的两端并对所述电容充放电单元（1）的恒流充电过程和恒流放电过程进行频率采集，通过充放电频率获取待测电容（C25）的容值；

所述电容充放电单元（1）包括恒流源充电电路（11）、恒流源放电电路（12）、第一开关（K1）和第二开关（K2），所述恒流源充电电路（11）的正极、所述第一开关（K1）、所述第二开关（K2）及所述恒流源放电电路（12）的负极依次连接，所述恒流源充电电路（11）的负极与所述恒流源放电电路（12）的正极连接，待测电容（C25）的一端连接在所述第一开关（K1）和所述第二开关（K2）的连接点之间，另一端连接在所述恒流源充电电路（11）的负极与所述恒流源放电电路（12）的正极之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述恒流源充电电路（11）包括第十运放器（U10）和第二场效应管（Q2B）,所述第十运放器（U10）的输出脚与所述第二场效应管（Q2B）的栅极连接，所述第二场效应管（Q2B）的源极与所述第十运放器（U10）的负输入脚连接，所述第二场效应管（Q2B）的漏极通过第三二极管（D3）与待测电容（C25）的一端连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述恒流源放电电路（12）包括第十三运放器（U13）、第十二运放器（U12）和第一场效应管（Q2A）,所述第十三运放器（U13）的输出脚与所述第十二运放器（U12）的正输入脚连接，所述第十二运放器（U12）的输出脚与所述第一场效应管（Q2A）的栅极连接，所述第一场效应管（Q2A）的源极分别与所述第十二运放器（U12）的负输入脚、所述第十三运放器（U13）的输出脚及负输入脚连接，所述第一场效应管（Q2A）的漏极通过第四二极管（D4）与待测电容（C25）的一端连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述频率采集单元（2）包括第一仪表运放器（U6）、比较器（U9）、电平转换运放器（U8）和MCU，所述第一仪表运放器（U6）的两个输入脚分别与待测电容（C25）的两端连接，所述第一仪表运放器（U6）的输出脚与所述比较器（U9）的输入端相连接，所述比较器（U9）的输出端与所述电平转换运放器（U8）相连接，所述电平转换运放器（U8）将电平转换成标准的方波信号后输入到所述MCU。

5.根据权利要求4所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：在所述比较器（U9）的输出端上还连接有开关控制电路（21），所述开关控制电路的输出端分别与所述第一开关（K1）及所述第二开关（K2）相连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述MCU选取型号为STM32F103的单片机。

7.根据权利要求5所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述开关控制电路（21）由型号为TS5A4594的模拟开关（U11）构成。

8.根据权利要求1所述的一种基于恒流源的电容容值测量电路，其特征在于：所述标准电源为标准5V电源，在所述标准电源的输出端设置有第二仪表运放器（U7）。

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