基於交流壓降平衡的微小電容測量電路及測量方法

2023-09-23 18:40:15

專利名稱：基於交流壓降平衡的微小電容測量電路及測量方法
技術領域：
本發明涉及電子測量技術領域，特別是一種基於交流壓降平衡的微小電容測量電路及測量方法。
背景技術：
電容是電學中重要的物理參數之一，電容器廣泛應用於電子電路的設計和電子產品開發中，而電容量的大小會對電路特性帶來直接影響。在某些場合下要求對電容器的電容量進行測量，如某未知參數的電容，以及電容式傳感器中的電容，因此，電容量的測量則成為其必要的手段。現階段微小電容測量方法包括諧振法、振蕩法、充放電法、交流電橋法、交流鎖相放大電容測量法、基於ν/Τ變換的電容測量法、基於混沌理論的恆流式混沌測量法、基於電荷放大原理的電容測量法等8種測量方法。這些測量方法各有優缺點，相比較而言，交流鎖相放大測量法是目前應用最好的檢測電路，其優點是抗雜散性、解析度較高。

圖1為交流鎖相放大電容測量電路，正弦信號Ui⑴對被測電容進行激勵，激勵電流流經由反饋電阻Rf、 反饋電容Cf和由運算放大器組成的帶負反饋迴路的C/V轉換電路，輸出電壓Uo(t)如下式
權利要求
1.一種基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，其特徵在於包括輸入端激勵電路 ⑴、測量電路⑵、輸出端檢測電路⑶和用於切換輸入端激勵電路⑴對測量電路⑵的輸入電壓方向的選擇開關電路(4)；所述的選擇開關電路(4)的一端與輸入端激勵電路(1) 的輸出端連接，另一端接地；所述的測量電路⑵由參考電阻和被測電容串聯組成；輸入端激勵電路⑴通過選擇開關電路⑷與測量電路⑵連接；所述的輸出端檢測電路⑶的輸入端與測量電路(2)的參考電阻和被測電容連接。
2.如權利要求1所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，其特徵在於所述的輸入端激勵電路(1)由交流電壓激勵源、第一限流電阻和第一電壓串聯負反饋電路組成。
3.如權利要求2所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，其特徵在於所述的第一電壓串聯負反饋電路由第一定值電阻、第一反饋電阻和第一運算放大器組成，第一定值電阻一端與第一運算放大器的反相端連接，另一端接地，第一反饋電阻的一端與第一運算放大器的輸出端連接，另一端與第一運算放大器的反相端連接，第一運算放大器的輸出端為輸入端激勵電路(1)的輸出端。
4.如權利要求1所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，其特徵在於所述的輸出端檢測電路(3)具有帶恆流源的集電極對稱的差分放大器和第二電壓串聯負反饋電路，差分放大器的第一電晶體的基極連接第一基區電阻，差分放大器的第二電晶體的基極連接第二基區電阻。
5.如權利要求4所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，其特徵在於所述的第二電壓串聯負反饋電路由第二定值電阻、第三定值電阻、第二反饋電阻和第二運算放大器組成，第二運算放大器的同相端與第一電晶體的集電極連接，反相端與第二運算放大器的輸出端連接，第二定值電阻的一端與第二運算放大器的輸出端連接，另一端與第三定值電阻串聯，第三定值電阻的另一端接地，所述的第二反饋電阻與第二定值電阻和第三定值電阻連接，第二反饋電阻與差分放大器的第二電晶體的基極連接，第二運算放大器的輸出端為輸出端檢測電路⑶的輸出端。
6.一種基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，其特徵在於(a)設置輸入端激勵電路(1)、測量電路(2)、輸出端檢測電路(3)和用於切換輸入端激勵電路⑴對測量電路⑵的輸入電壓方向的選擇開關電路⑷；所述的選擇開關電路 (4)的一端連接輸入端激勵電路(1)的輸出端，另一端接地；所述的測量電路(2)由參考電阻和被測電容串聯組成；輸入端激勵電路(1)通過選擇開關電路(4)連接測量電路(2)；所述的輸出端檢測電路⑶的輸入端連接測量電路⑵的參考電阻和被測電容；(b)調節輸入端激勵電路(1)的輸出頻率，使選擇開關電路(4)在不同狀態時，輸出端檢測電路⑶的輸出端的電壓值幅值相等，記下此時輸入端激勵電路⑴的輸出頻率；(c)推導計算得出被測電容值。
7.如權利要求6所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，其特徵在於所述的輸入端激勵電路(1)由交流電壓激勵源、第一限流電阻和第一電壓串聯負反饋電路組成。
8.如權利要求7所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，其特徵在於所述的第一電壓串聯負反饋電路由第一定值電阻、第一反饋電阻和第一運算放大器組成，第一定值電阻一端與第一運算放大器的反相端連接，另一端接地，第一反饋電阻的一端與第一運算放大器的輸出端連接，另一端與第一運算放大器的反相端連接，第一運算放大器的輸出端為輸入端激勵電路(1)的輸出端。
9.如權利要求6所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，其特徵在於所述的輸出端檢測電路(3)具有帶恆流源的集電極對稱的差分放大器和第二電壓串聯負反饋電路，差分放大器的第一電晶體的基極連接第一基區電阻，差分放大器的第二電晶體的基極連接第二基區電阻。
10.如權利要求9所述的基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，其特徵在於所述的第二電壓串聯負反饋電路由第二定值電阻、第三定值電阻、第二反饋電阻和第二運算放大器組成，第二運算放大器的同相端與第一電晶體的集電極連接，反相端與第二運算放大器的輸出端連接，第二定值電阻的一端與第二運算放大器的輸出端連接，另一端與第三定值電阻串聯，第三定值電阻的另一端接地，所述的第二反饋電阻與第二定值電阻和第三定值電阻連接，第二反饋電阻與差分放大器的第二電晶體的基極連接，第二運算放大器的輸出端為輸出端檢測電路(3)的輸出端。
全文摘要
本發明涉及基於交流壓降平衡的微小電容測量電路，包括輸入端激勵電路、測量電路、輸出端檢測電路和用於切換輸入端激勵電路對測量電路的輸入電壓方向的選擇開關電路；輸入端激勵電路通過選擇開關電路與測量電路連接；所述的輸出端檢測電路的輸入端與測量電路的參考電阻和被測電容連接。還涉及基於交流壓降平衡的微小電容測量方法，測量步驟為a、設置本發明的測量電路；b、調節選擇開關電路的狀態，當輸出端檢測電路的輸出端的電壓值幅值相等時，記下交流電壓激勵源的頻率；c、推導計算得出被測電容值。本發明能有效地抑制交流電壓源波動和外界噪聲的影響；很好地消除雜散電容的影響；有效地抑制溫度漂移；抑制零點漂移的能力提高。
文檔編號G01R27/26GK102435859SQ201110281659
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者王怒, 陳樹越 申請人:常州大學