CN86108479A - 电容测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明的电容测量电路包含有开关装置。该装置以预先确定的转接频率交替地周期性地把被测量电容连接到恒定电压上以充电，再连接到存储电容器上以放电。存储电容比被测电容大，通过控制放电电流，使它的端电压大体保持在一恒定的参考电压上。放电电流的大小与被测电容成正比并代表该电容的测量值。另一个转接装置连到与被测电容相关的屏蔽物上，并以同样的转接频率周期性地交替地接到两种电位上，它们大体上分别相应于恒定电压和参考电位。

Description

本发明涉及一种由转接装置组成的电容测量电路。该转接装置以预定的转接频率交替地周期性地把被测量电容连接到一恒定电压上以充电，再连接到存储电容器上以放电。存储电容器的容量比被测电容器的容量大，通过控制放电电流使它的端电压大体保持在一恒定的参考电压上，放电电流的大小与被测量的电容成正比并代表了电容的测量值。

大家都知道，这类电容测量电路来自于DE-OS3，143，114，是利用“开关电容器”的原理工作的。电容量的测量是以被测电容器的平均放电电流的测量为基础的，它是利用周期性地交替地给被测电容器充电到恒定电压，并且再放电来实现。一般说来，平均放电电流通过电流电压转换器转换成与被测量电容量成正比例的电压。通过使用以同样的原理工作的两个电路支路，非常有可能以很高的灵敏度和准确性去测量两个被测电容的容量差，即使当电容容量差与被测量电容相比是很小的时候也是如此。

另一方面，在电容测量电路或电容性传感器中，例如在美国专利第3，781，672号和德国专利（Auslegeschrift）^＊2，744，785号中所述的“有源屏蔽”的原理是众所周知的，即与被测量电容或者传感器电容相关的屏蔽罩的电位连续不断地跟随着被屏蔽电极的电位而变化。这就有可能消除杂散电容和干扰电场对被测电容或传感器电容的影响。例如，屏蔽可以是围绕着测量或传感器电极的屏蔽电极，也可以是被测或传感器电容到电容测量电路间连接的电缆的屏蔽。按照现有技术，通过对被屏蔽电极的电位的采样，并经过一阻抗转换器加到屏蔽罩上的方法，有源屏蔽是有效的。这种解决办法是很复杂的，因为需要一个运算放大器作为阻抗转换器，在速度和输入电容方面它必须满足很高的要求。

本发明要解决的问题是要在开头所述的这类电容测量电路中，用很简单和有效的方法得到有源屏蔽。

为了解决这个问题，本发明相应的电容测量电路包含有另一个转接装置，该装置以同样的转接频率周期性地、交替地把与被测电容相关的屏蔽罩连接到两种电位上，它们大体上分别对应于恒定电压和参考电位。

本发明相应的电容测量电路利用这样一个事实：被屏蔽电极的电位假设只有两个可能的值，即或者是参考电位，或者是被测电容所充到的恒定电压的电位。由于这个原因，被屏蔽电位的采样和反馈可以省去。因此取而代之的是把两种电位的值以同样的转接频率简单地交替地加到屏蔽罩上。为了实现这一点，所需要的一切就是一个简单类型的另一个转接装置。这里发现一个特别的优点，就是对于另一个转接装置的激励和响应速率而言，没有很窄的时间容限。因为由于开关电容器的原理，在被屏蔽的电极为一方，屏蔽罩为另一方之间的电位变化，既使有相当可观的时间移动，如果注意到某些容易满足的条件，也不会导致测量误差。

本发明的更多的特点和优点也是很明显的，从如下附图所示的实施方案实例说明中可以看出。其中：

图1    给出了本发明相应的电容测量电路实施方案的基本电路图，

图2    给出了解释图1的电容测量电路工作方式的时间图，

图3    给出了本发明相应的另一个电容测量电路实施方案的基本电路图，和

图4    给出了解释图3的电容测量电路工作方式的时间图。

图1所示的电容测量电路10，利用已知的DE-OS3，143，114中，“开关电容”的原理。提供一个与测试电容器11的容量CM成正比的输出信号。测试电容器11可以被放置于与电容测量电路10相对远的距离，并且通过屏蔽电缆12连接到电容测量电路上。屏蔽电缆12包含有被屏蔽的内部导体13和电缆屏蔽网14。如果在测试电容11的地方存在屏蔽电极15的话，那么该电极就与电缆屏蔽网14相连。

电容测量电路10包含有转接开关16，它处于如图1所示的一个位置上，该开关通过电缆12的内部导体13把测试电容11连接到端点17上，该点相对于大地带有正的直流电压+V，该直流电压是（比方说）电路的工作电压。开关16在另一个位置上，连接测试电容器11到存储电容器18上，存储电容C_O比被测电容C_M大得多。运算放大器20的反相输入端也连到开关16和存储电容18的互连端子上。运算放大器的同相输入端连接到地，输出端和反相输入端之间的反馈电路包含有电阻21。

转接开关16由控制信号A驱动，该信号是由控制电路22的输出端送来的。控制电路22在第二个输出端还提供了控制信号B，该信号驱动转接开关23，此开关在一个位置上把电缆12的电缆屏蔽网14连接到端点17的电压+U上，而在另一个位置上连接到地。

借助于图2的时间图的帮助可以解释图1的电容测量电路的工作方式。

图2中的A图给出了驱动转接开关16的控制信号A随时间变化图。假定控制信号A周期性地、交替地产生两种状态0和1，并且假定开关16在控制信号A的1状态有如图1所示的位置，此时它连接测试电容器11到端点17上。而在控制信号A的0状态，该开关把测试电容器11从端点17分离开，并把测试电容器连接到存储电容器18上。

图2中的U_CM图给出了测试电容11的电压以及电缆12的内部导体13的电压的随时间的变化图。在每个对应于控制信号A的1值的阶段I中，测试电容11被充电到电压+U，由于充电电路的不可避免的时间常数，如果没有延迟就不会发生充电，但是阶段I的持续时间长到足以保证在测试电容器11上的电压U_CM一定达到全值+U。

在对应于控制信号A的0值的阶段Ⅱ中，测试电容C_M用相应的时间常数放电到存储电容器18上。由于存储电容器18的容量C_O比被测电容C_M的容量大得多，因而在电荷均衡之后，上述两个电容器的电压比电压+U小得多。阶段Ⅱ的持续时间最好等于阶段Ⅰ的持续时间，之所以采用这种时间长度是为了一定得到完全的电荷均衡。

在下一个阶段Ⅰ，测试电容器11再次被充电到电压+U，而存储电容器18的电荷，通过作为电流-电压转换器的运算放大器20慢慢地泄出。电荷均衡通过流经电阻21的电流来实现，使得在存储电容器18上的电压的平均值大体保持在零。流过电阻21上的电流等于测试电容器11放电电流的平均值。为了保持这个电流，设运算放大器20的输出电压为U_C，它正好与测试电容C_M成正比。

如果没有采取专门的预防措施，那么屏蔽电缆12的电缆电容C_K就会加到被测电容C_M上，该电缆电容的变化将影响测量。为了消除电缆电容在图1的电容测量电路中的影响，采用有源屏蔽，在这里电缆屏蔽网14的电位追随着电缆12的被屏蔽的内导体13的电位。假如存在着另一个屏蔽电极15，而且把它连到屏蔽网14上，利用有源屏蔽，屏蔽电极15的电位因而就跟随着被屏蔽电容电极的电位而变化，于是杂散电容和干扰电场对被测电容的影响就被消除。按照现有技术，这种有源屏蔽是通过屏蔽导线的电位连续不断地被采样，并经过阻抗转换器加到屏蔽网上的办法来完成的。相反，在图1的电容测量电路中，有源屏蔽用一种极其简单和有效的方法来实现。它是利用控制信号B所驱动的转换开关23的帮助，而不需要屏蔽导线电位的任何反馈。

图2的B图给出了控制信号B随时间的变化，它和控制信号A具有同样的重复频率，並周期地和交替地，呈现0值和1值。图2^＊中的U_K图给出了通过开关23加到电缆屏蔽网14上的电压随时间的变化。当控制信号B呈现1值时，电压+U被加到电缆屏蔽网14上，在再充电时间T_K后，电压U_K达到了电压+U值，T由时间常数来决定。当控制信号B呈现为0值时，电缆屏蔽网14连接到地电位，在再充电时间T_K后，电压U_K又一次达到电压值0。

从图2的示图中，如下的事实是显而易见的：如果控制信号A和B是准确的同相，那么电压U_CM和U_K也大体上随时间有同样的变化。这就满足了有源屏蔽的条件，即屏蔽极的电位接连不断地跟随着被屏蔽电极的电位而变化。然而，图2中控制信号A和B互相之间故意地给出有相位差，这是为了说明保持准确的时间相互关系不是主要的。虽然在每个阶段Ⅱ的开始有一个时间部分Ⅱ_a，在这期间，测试电容11已经放电到存储电容18上，而电压+U仍然加在电缆屏蔽网上，以致于电缆电容C_K被充电，相应的电荷Q_K正在流向存储电容器18。在同样的阶段Ⅱ后段的部分Ⅱ_b中，电缆屏蔽网14接到地，而被屏蔽的导体13仍被连接到存储电容18上，大体上有同样的电荷Q_K又从存储电容18流回电缆电容C_K上。因此，平均而言，这些电荷的位移互相抵消了，以致于在存储电容器18上只有效地留下被检测的测试电容器11的电荷Q_M。于是，对于流过电阻21的电流和对于运算放大器20的输出端电压U_C，只有电荷Q_M起决定性作用。

关于控制信号B相对于控制信号A时间关系的要求不是很严格的。仅仅需要注意时间状态，即，在每个阶段Ⅱ开始前的屏蔽电压U_K必须已达到电压值+U，每个阶段Ⅰ开始前电压值为0。考虑到再充电时间T_K，这就意味着：在每个阶段Ⅱ开始前，在最后时间段T_K位置上;在每个阶段Ⅰ开始之前，在最后的时间T_K位置上它必须是0值。这就得到了在B′图中所示的时间状态：控制信号B在交叉阴影线区域可以有任何值，仅仅在以“1”和“0”分别标出的持续时间T_K区域中必须有规定的信号值。

正如上述已经提到的，存储电容器18的电容C_O应当比被测电容C_M尽可能地大。C_O/C_M的比率实际上可能达到1000。但是由于这个比率的值是有限度的，在阶段Ⅱ中，电荷从测试电容器11被传送到存储电容器18时，存储电容器18上的电压将增加一些，这是由于从测试电容器11来的电荷Q_M ^＊的缘故。因此，在阶段Ⅱ和Ⅱ_b部分，流回到电缆电容C_K的电荷不是正好完全等于电荷Q_K而是少一点。因此，有效电缆电容的减少对于C_O对C_K的比的一次近似值是相应的，而残留的误差是可以忽略的。

转接开关16和23在图1中仅仅用符号表示为机械开关。实际上，它是一个高速电子开关，例如MOS场效应晶体管。由于这样的电子开关的动作不象转接开关，而是简单的通-断开关，因此图1中的每个转接开关必须用两个这样的电子开关替代。图3表示出用电子开关配置的电容测量电路，而图4给出了相应的时间图。

就图3的电容测量电路的部件而言，是与图1实施方案的部件相对应的，可以使用同样的参考号。图3的电容测量电路与图1实施方案的不同点主要是，转接开关16由两个MOS场效应晶体管24和25所代替，它们分别由控制电路22所提供的控制信号C和D所驱动。控制信号C、D的时间变化在图中由图4中所用的同样的字母标识。两个控制信号C和D的每一个都是周期性地交替地呈现为信号0值和信号1值，这两个控制信号大体上是互相反相的。MOS场效应晶体管24、25中的每一个在所加控制信号为1时导通，在加控制信号为0时截止。在阶段Ⅰ中，控制信号C的值为1，而控制信号D的值为0，因此，在阶段Ⅰ中，测试电容器11连接到端点17，并从存储电容器18脱离。这就相当于第一个位置，即图1中开关16在图2中呈现的阶段Ⅰ的位置。在图4的阶段Ⅱ中控制信号C的值为0，控制信号D的值为1，以致于测试电容器11从端点17离开并连接到存储电容器18上。这就相应于另一个位置，即图1中开关16在图2中呈现的阶段Ⅱ的位置。因此，图3的电路安排，在关于测试电容器11在阶段Ⅰ和Ⅱ中的充电和放电方面、产生了如图1的电路安排同样的效果。

但是，按照图4的时间图，在每个阶段Ⅰ和紧跟的阶段Ⅱ之间插入了中间的阶段Ⅰ¹，在每个阶段Ⅱ和紧跟的阶段Ⅰ之间插入了中间的阶段Ⅲ¹。在中间的阶段Ⅱ中两个控制信号C和D的值为0，以致两个MOS场效应晶体管24和25同时截止。这些中间的阶段是相对地短，以保证两个MOS场效应晶体管不会同时导通，因为如果那样的话，存储电容器18便会瞬间地直接连到电压+U上。

图4的U_CM图给出了测试电容器11的电压U_CM随时间的变化，这是通过上面所述的利用控制信号C、D驱动场效应晶体管24、25得到的。

图1的开关23也能以同样的方法，利用两个场效应晶体管替换。然而，图3示出了另一种解决办法，导致进一步简化。这里，开关23由反相器26替换，该反相器作为阈值鉴别器。并把它的供电两端点，分别接到电压+U和地。控制信号B加到反相器26的信号输入端，后者的输出端连到电缆屏蔽网14上。反相器26以通常的方法构成，以便在它的输入信号低于预定的阈值时，即特别为O时它的输出电压呈现较高的供电电位;当它的输入信号高于阈值时，即特别为1时，它的输出电压呈现较低的供电电位。实际上，由转接开关一起组成的两个电子开关都包含在该反相器中，如此安排是为了它们能把反相器的输出端或者连接到一个或另外一个供电电压端。图3的电容测量电路中，当控制信号B为0时，反相器26的输出电压呈现为+U，而当控制信号B为1时，输出电压呈现为地电位。因此，连接到反相器26的输出端的电缆屏蔽网14的电压U显示出图4的U图所示的随时间的变化。立刻很清楚，对于有源屏蔽，这种时间变化满足上述解释的条件，而不必注意反相器26的激励或它的响应速度的窄的时间容限。

Claims (3)

1、电容测量电路包含有转接装置，该装置以预定的转接频率交替地周期性地把被测量电容连接到一恒定电压上以充电。再连接到存储电容器上以放电，该存储电容器的容量比被测电容器的容量大，通过控制放电电流使上述存储电容的端电压大体保持在一恒定的参考电压上，放电电流的大小与被测量的电容成正比例并代表了电容的测量值，其特征是另一个转接装置，它以同样的转接频率周期性地交替地把与被测电容相关的屏蔽物连接到，大体上分别对应于恒定电压和参考电位的电位上。

2、按照权利要求1的电容测量电路，其特征是其中每个转接装置是由两个电子开关组成的，并以相反的相位控制信号使其接通或断开。

3、按照权利要求2的电容测量电路，其特征是其中另一个转接装置是由接收反相控制信号之一的阈值鉴别器组成。

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