TWI414796B - 電容量測裝置及其方法 - Google Patents

Description

電容量測裝置及其方法

本發明係有關於一種量測裝置及其方法，特別是一種電容量測裝置及其方法。

電容是非常常見的電子零件；幾乎所有的電子產品都會需要使用到電容；也因此，電子工程師在設計或校正電子電路時，總是需要知道電路板上使用的電容的容值，才能將設計或校正電子電路的工作進行完善。一個良好的萬用電錶上應該要具有量測電容的容值的功能，這是不可或缺的重要部分。

然而，目前習知量測電容的容值的技術通常需耗費較長的時間；而量測電容的容值耗費時間較短的技術卻又需要使用到例如多個反向放大器等等複雜之設計，如此並不符合低成本的要求。因此，如何能快速量測電容的容值且量測電路卻簡單不複雜，實是當前一重要課題。

為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種電容量測裝置，其使用之電路結構簡單卻能快速量測電容之容值。

為改善上述習知技術之缺點，本發明之又一目的在於提供一種電 容量測方法，其使用之電路結構簡單卻能快速量測電容之容值。

為達成本發明之上述目的，本發明之電容量測裝置係應用於一充電電源及一待測電容。該電容量測裝置包含一微控制器單元；一類比數位轉換器單元，該類比數位轉換器單元電連接至該微控制器單元及該待測電容；一充電端開關單元，該充電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電電源；一充電端電阻單元，該充電端電阻單元電連接至該充電端開關單元：一放電端開關單元，該放電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電端電阻單元；及一放電端電阻單元，該放電端電阻單元電連接至該放電端開關單元、該充電端電阻單元、該類比數位轉換器單元及該待測電容。該微控制器單元控制該充電端開關單元及該放電端開關單元以對該待測電容充電及放電；該類比數位轉換器單元量測該待測電容充電及放電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容之電容值。

為達成本發明之上述又一目的，本發明之電容量測方法係應用於一充電電源及一待測電容。該電容量測方法包含：設置一微控制器單元；設置一類比數位轉換器單元，該類比數位轉換器單元電連接至該微控制器單元及該待測電容；設置一充電端開關單元，該充電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電電源；設置一充電端電阻單元，該充電端電阻單元電連接至該充電端開關單元；設置一放電端開關單元，該放電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電端電阻單元；設置一放電端電阻單元，該放電端電阻單元電連接至該放電端開關單元、該充電端電阻單元、該 類比數位轉換器單元及該待測電容；該微控制器單元控制該充電端開關單元及該放電端開關單元以對該待測電容充電；及該類比數位轉換器單元量測該待測電容充電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容之電容值。

VDD‧‧‧充電電源

Cx‧‧‧待測電容

10‧‧‧電容量測裝置

12‧‧‧微控制器單元

14‧‧‧類比數位轉換器單元

16‧‧‧顯示單元

18‧‧‧記憶體單元

SW1‧‧‧充電端開關單元

SW2‧‧‧放電端開關單元

Rref‧‧‧充電端電阻單元

R2‧‧‧電容端電阻單元

S02~S26‧‧‧步驟

R‧‧‧輸入端電阻

C‧‧‧輸出端電容

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

20‧‧‧可程式比較器

22‧‧‧切換開關

Vref‧‧‧參考電壓

第一圖為本發明之電容量測裝置方塊圖。

第二圖為本發明之電容量測方法流程圖。

第三圖為電容充放電電路圖。

第四圖為本發明之電容量測裝置之另一實施例方塊圖。

第五圖為本發明之電容量測方法之另一實施流程圖。

請參考第一圖，其係為本發明之電容量測裝置方塊圖。本發明之電容量測裝置10係用於一充電電源VDD及一待測電容Cx；該電容量測裝置10包含一微控制器單元12、一類比數位轉換器單元14、一顯示單元16、一記憶體單元18、一充電端開關單元SW1、一放電端開關單元SW2、一充電端電阻單元Rref、一放電端電阻單元R1及一電容端電阻單元R2。

該微控制器單元12係電連接至該類比數位轉換器單元14、該顯示單元16、該記憶體單元18、該充電端開關單元SW1及該放電端開關單元SW2；該電容端電阻單元R2係電連接至該類比數位轉換器單元14、該待測電容Cx及該放電端電阻單元R1；該充電端開關單元SW1更電連接至該充電電源VDD及該充電端電阻單元Rref；該放 電端開關單元SW2更電連接至該充電端電阻單元Rref及該放電端電阻單元R1；該放電端電阻單元R1更電連接至該充電端電阻單元Rref及該待測電容Cx。

該微控制器單元12控制該充電端開關單元SW1及該放電端開關單元SW2以對該待測電容Cx充電及放電；該類比數位轉換器單元14量測該待測電容Cx充電及放電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容Cx之電容值(容後詳述)。該顯示單元16可為一液晶顯示器(LCD)；該記憶體單元18可為一電子可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)；該類比數位轉換器單元14可為一快速高解析度類比數位轉換器。

本發明另一種達成方式，是該放電端開關單元SW2並不接地，但是該充電電源VDD具有兩種電源；當充電時，該充電電源VDD輸出正電壓，而在放電時，該充電電源VDD輸出負電壓。

請參考第二圖，其係為本發明之電容量測方法流程圖；並請同時參考第一圖。本發明之電容量測方法係應用於一充電電源VDD及一待測電容Cx；該電容量測方法包含下列步驟(S02~S26)：S02設置一微控制器單元12；S04設置一類比數位轉換器單元14，該類比數位轉換器單元14電連接至該微控制器單元12及該待測電容Cx；S06設置一充電端開關單元SW1，該充電端開關單元SW1電連接至該微控制器單元12及該充電電源VDD； S08設置一充電端電阻單元Rref，該充電端電阻單元Rref電連接至該充電端開關單元SW1；S10設置一放電端開關單元SW2，該放電端開關單元SW2電連接至該微控制器單元12及該充電端電阻單元Rref；S12設置一放電端電阻單元R1，該放電端電阻單元R1電連接至該放電端開關單元SW2、該充電端電阻單元Rref、該類比數位轉換器單元14及該待測電容Cx；S14設置一電容端電阻單元R2，該電容端電阻單元R2電連接至該放電端電阻單元R1、該類比數位轉換器單元14及該待測電容Cx；S16設置一顯示單元16，該顯示單元16電連接至該微控制器單元12；S18設置一記憶體單元18，該記憶體單元18電連接至該微控制器單元12；S20該微控制器單元12控制該充電端開關單元SW1及該放電端開關單元SW2以對該待測電容Cx充電；S22該類比數位轉換器單元14量測該待測電容Cx充電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容Cx之電容值(容後詳述)；S24該微控制器單元12控制該充電端開關單元SW1及該放電端開關單元SW2以對該待測電容Cx放電；S26該類比數位轉換器單元14量測該待測電容Cx放電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容Cx之電容值(容後詳述)。

請參考第三圖，其係為電容充放電電路圖。一輸入端電阻R之一端係電連接至一輸入電壓Vin，該輸入端電阻R之另一端電連接至一輸出電壓Vout及一輸出端電容C之一端；該輸出端電容C之另一端接地。

為方便解說，以下數學運算將僅列出元件符號；其中，e為尤拉常數(Euler cons tant)，而ln是以e為底數的對數函數。該輸出電壓Vout與該輸入電壓Vin、該輸入端電阻R及該輸出端電容C之關係式為：Vout=Vin(1-e^-t/RC)

經推導如下：Vout/Vin=1-e^-t/RC e^-t/RC=1-(Vout/Vin) ln e^-t/RC=ln[1-(Vout/Vin)] -t/RC=ln[1-(Vout/Vin)] t=-RC* ln[1-(Vout/Vin)] 1/C=-R* ln[1-(Vout/Vin)]/t C=-t/{R* ln[1-(Vout/Vin)]}

請復參考第一圖，故：Cx=-Tchg/{(Rref+R1)＊ln[1-(ΔV/VDD)]}

其中Tchg為充電時間，ΔV為充電電壓差。類似地，放電時為：Tdisc=-R1*Cx*ln[1-(V2/V1)]

所以Cx=-Tdisc/{R1*ln[1-(V2/V1)]}

其中Tdisc為放電時間，V2為放電後電壓，V1為放電前電壓。充電時，該充電端開關單元SW1係將該充電電源VDD電連接至該充電端電阻單元Rref，該放電端開關單元SW2不接地；放電時，該充電端開關單元SW1係將該充電電源VDD與該充電端電阻單元Rref切開斷路，該放電端開關單元SW2接地。

請參考第四圖，其係為本發明之電容量測裝置之另一實施例方塊圖。第四圖與第一圖相同之處不再贅述；第四圖與第一圖不同之處在於多了一個可程式比較器20及一切換開關22。該可程式比較器20電連接至該類比數位轉換器單元14、該電容端電阻單元R2、該微控制器單元12及該切換開關22；該切換開關22更電連接於一參考電壓Vref及接地之間。

則，與前述公式推導類似地：Cx=-Tchg/{(Rref+R1)＊ln[(VDD-VD)/(VDD-VC)]}

其中VD代表充好電的電壓，VC代表充電前的電壓。

該切換開關22可控制該可程式比較器20設定在不同之電壓位準監控電容電壓的變化；該可程式比較器20即時通知該微控制器單元12進行換檔並且精準又快速切入正確檔位；因為充電時間與放電時間皆可即時監控，因而量測速度及效率可大幅提昇，不管電容 值大小皆可輕易測量。

請參考第五圖，其係為本發明之電容量測方法之另一實施流程圖；並請同時參考第四圖。第五圖與第二圖相同之處不再贅述；第五圖與第二圖不同之處在於步驟S12及步驟S14之間增加步驟S13_1及步驟S13_2：S13_1設置一可程式比較器20，該可程式比較器20電連接至該類比數位轉換器單元14、該放電端電阻單元R1、該待測電容Cx及該微控制器單元12；S13_2設置一切換開關22，該切換開關22電連接至該可程式比較器20。

本發明之該電容量測裝置10不但電路構造簡單，且量測電容的時間短；例如該待測電容Cx之容值為10000uF，該充電端電阻單元Rref與該放電端電阻單元R1之阻值和為6.2K歐姆，則僅需約2秒即可完成量測。

綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

VDD‧‧‧充電電源

Cx‧‧‧待測電容

10‧‧‧電容量測裝置

12‧‧‧微控制器單元

14‧‧‧類比數位轉換器單元

16‧‧‧顯示單元

18‧‧‧記憶體單元

SW1‧‧‧充電端開關單元

SW2‧‧‧放電端開關單元

Rref‧‧‧充電端電阻單元

R1‧‧‧放電端電阻單元

R2‧‧‧電容端電阻單元

Claims (7)

1. 一種電容量測裝置，係應用於一充電電源及一待測電容，該電容量測裝置包含：一微控制器單元；一類比數位轉換器單元，該類比數位轉換器單元電連接至該微控制器單元及該待測電容；一充電端開關單元，該充電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電電源；一充電端電阻單元，該充電端電阻單元電連接至該充電端開關單元；一放電端開關單元，該放電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電端電阻單元；及一放電端電阻單元，該放電端電阻單元電連接至該放電端開關單元、該充電端電阻單元、該類比數位轉換器單元及該待測電容；一可程式比較器，該可程式比較器電連接至該類比數位轉換器單元、該放電端電阻單元、該待測電容及該微控制器單元；及一切換開關，該切換開關電連接至該可程式比較器、一參考電壓及接地之間，該切換開關控制該可程式比較器設定在不同之電壓位準以監控該待測電容電壓的變化，該切換開關係包含複數個電阻，其中，該微控制器單元控制該充電端開關單元及該放電端開關單元以對該待測電容充電及放電；該類比數位轉換器單元量測該待 測電容充電及放電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容之電容值；其中，該待測電容被充電時，該充電端開關單元係將該充電電源電連接至該充電端電阻單元，該放電端開關單元不接地；該待測電容被放電時，該充電端開關單元係將該充電電源與該充電端電阻單元切開斷路，該放電端開關單元接地。
2. 如申請專利範圍第1項之電容量測裝置，更包含：一電容端電阻單元，該電容端電阻單元電連接至該放電端電阻單元、該可程式比較器及該待測電容；及一顯示單元，該顯示單元電連接至該微控制器單元。
3. 如申請專利範圍第2項之電容量測裝置，更包含一記憶體單元，該記憶體單元電連接至該微控制器單元。
4. 如申請專利範圍第3項之電容量測裝置，其中該類比數位轉換器單元為一快速高解析度類比數位轉換器。
5. 一種電容量測方法，係應用於一充電電源及一待測電容，該電容量測方法包含：a.設置一微控制器單元；b.設置一類比數位轉換器單元，該類比數位轉換器單元電連接至該微控制器單元及該待測電容；c.設置一充電端開關單元，該充電端開關單元電連接至該微控制器單元及該充電電源；d.設置一充電端電阻單元，該充電端電阻單元電連接至該充電端開關單元；e.設置一放電端開關單元，該放電端開關單元電連接至該微控制 器單元及該充電端電阻單元；f.設置一放電端電阻單元，該放電端電阻單元電連接至該放電端開關單元、該充電端電阻單元、該類比數位轉換器單元及該待測電容；g.該微控制器單元控制該充電端開關單元及該放電端開關單元以對該待測電容充電；h.該類比數位轉換器單元量測該待測電容充電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容之電容值；i.該微控制器單元控制該充電端開關單元及該放電端開關單元以對該待測電容放電；j.該類比數位轉換器單元量測該待測電容放電時的電壓與時間變化，藉此得知該待測電容之電容值；k.設置一可程式比較器，該可程式比較器電連接至該類比數位轉換器單元、該放電端電阻單元、該待測電容及該微控制器單元；及l.設置一切換開關，該切換開關電連接至該可程式比較器、一參考電壓及接地之間，其中，該切換開關控制該可程式比較器設定在不同之電壓位準以監控該待測電容電壓的變化，該切換開關係包含複數個電阻，其中，該待測電容被充電時，該充電端開關單元係將該充電電源電連接至該充電端電阻單元，該放電端開關單元不接地；該待測電容被放電時，該充電端開關單元係將該充電電源與該充電端電阻單元切開斷路，該放電端開關單元接地。
6. 如申請專利範圍第5項之電容量測方法，更包含： m.設置一電容端電阻單元，該電容端電阻單元電連接至該放電端電阻單元、該可程式比較器及該待測電容；及n.設置一顯示單元，該顯示單元電連接至該微控制器單元。
7. 如申請專利範圍第6項之電容量測方法，更包含：o.設置一記憶體單元，該記憶體單元電連接至該微控制器單元。