一种高精度电容测量电路及方法技术

本发明专利技术涉及电容检测领域，尤其涉及一种精密电容的高精度检测，本发明专利技术提供了一种高精度电容的测量电路及方法，包括待测电容、参考电容、积分单元、比较单元、数模转换单元、数据抽取单元。其中待测电容和参考电容分别与数模转换单元的正负端相加后再与积分单元的同相或反相输入端相连，积分单元的输出与比较单元相连，比较单元的输出分别与数模转换单元和数据抽取单元相连。本发明专利技术电路通过对电容上的电压进行采集，从而得到电容的容值，以实现精确测量电容的目的。量电容的目的。量电容的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度电容测量电路及方法


[0001]本专利技术涉及电路
，特别涉及一种高精度电容测量电路及方法。

技术介绍

[0002]电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，及能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点。当前，许多类型的传感器使用电容式传感，包括用于检测和测量接近度、压力、位置和位移、力、湿度、液位和加速度的传感器。微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。电容式传感器输出的电容信号往往很小(1fF～10pF)，又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求，如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。
[0003]如图1所示，是常见的电容测量电路，通过一个计时器，控制开关的通断，在一个确定时间t内，用一个已知的恒定电流i给待测电容充电，充电结束后测量电容上的电压U，根据公式求得待测电容的容值。这种方法严重依赖充电电流的大小及其精度、时间的控制精度以及电压的测量精度，导致该方法测量精度不高。
[0004]有鉴于此，如何提高高精度电容的检测精度为本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高精度电容测量电路及方法。
[0006]本专利技术要解决的是现有技术检测电容的精度不高的问题。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种高精度电容测量电路，所述电容测量电路包括时钟单元、积分单元、比较单元、数模转换单元、数据抽取单元以及输入单元；
[0009]时钟单元分别与所述输入单元、所述积分单元、所述比较单元及所述数据抽取单元相连；
[0010]所述积分单元分别与所述输入单元及所述数模转换单元相连；
[0011]比较单元分别与数据抽取单元及数模转换单元相连；
[0012]其中，所述时钟单元用于输出时钟信号；所述输入单元包括待测电容及参考电容，所述输入单元用于根据所述时钟信号充电或向所述积分单元放电；所述积分器用于将所述待测电容与所述参考电容的放电量进行积分；所述比较器用于根据所述积分单元的积分结果输出数字信号；所述数据抽取单元用于对所述数字信号进行采样滤波，得到表征所述待测电容的电容值的数值；所述数模转换单元用于将所述数字信号转化为模拟信号反相输入至积分单元的输入端。
[0013]进一步地，所述时钟信号包括低电平及高电平，时钟信号为高电平时，所述待测电容及参考电容充电；时钟信号为低电平时，所述待测电容及参考电容放电。
[0014]进一步地，所述待测电容连接于所述积分单元的同相输入端，所述参考电容连接于所述积分单元的反相输入端，所述待测电容及参考电容远离所述积分单元的一端均通过第一开关连接基准电压、通过第二开关接地。
[0015]进一步地，所述数模转换单元包括数模转换器及分别连接于所述所述数模转换器的同相输出端的第一电容、连接于所述数模转换单元的同相输出端的第二电容；所述第一电容的另一端连接于积分单元的同相输入端，所述第二电容的另一端连接于所述积分单元的反相输入端；所述第一电容及所述第二电容的容值相等。
[0016]进一步地，所述积分单元包括一阶积分电路，或者，所述积分单元由多个一阶积分电路串联形成。
[0017]进一步地，所述数据抽取单元包括一阶累加器或高阶累加器。
[0018]一种高精度电容测量方法，应用于上述的高精度电容测量电路，所述方法包括：
[0019]时钟单元输入第一时钟信号，输入单元中的待测电容及参考电容充电；同时，比较单元保持上一时刻的比较结果，并将所述比较结果传输至所述数模转换单元；数模转换单元的输出信号反相输入至所述积分单元的输入端；
[0020]时钟单元输入第二时钟信号，输入单元中的待测电容及参考电容向所述积分单元放电；同时，积分单元的输出被所述比较单元捕捉，比较单元根据所述积分单元的输出得到一个数字信号；
[0021]时钟单元均匀间隔的输出第一时钟信号及第二时钟信号，数据抽取单元在每次第一时钟信号出现时对比较单元的输出进行采样，得到表征所述待测电容的电容值的数值。
[0022]进一步地，所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平。
[0023]进一步地，所述数模转换单元包括数模转换器以及分别连接于所述数模转换器的输出端的第一电容及第二电容，所述第一电容及所述第二电容的电容值相等，所述数模转换单元的输出信号通过第一电容耦合至所述积分单元的同相输入端，通过第二电容耦合至所述积分单元的反相输入端。
[0024]进一步地，所述待测电容的容值为：其中，C1为第一电容的容值，C
ref
为参考电容的容值，DATA为数据抽取单元的最终输出的数值，N为该采样电路的最大位数。
[0025]与现有技术相比，本专利技术技术方案及其有益效果如下：
[0026](1)本专利技术的高精度电容的测量电路，包括待测电容、参考电容、积分单元、比较单元、数模转换单元、数据抽取单元。将待测电容及参考电容的电容的差值转化为电荷量的差值输入至积分单元进行积分，比较单元根据积分单元的积分结果输出数字信号，数据抽取单元在每个时钟周期内对数字信号进行采样，得到表征所述待测电容的电容值的数值。而数模转换单元根据数字信号转换成模拟信号后通过与相同的电容耦合后反相叠加在积分器的输入端，利用高精度的模数转换器，直接采样得到待测电容的容值，而不需要将电容容值转换为电压或者电流等电学参数在进行处理，简化了电路，减少了干扰，提高了测量精度。
[0027](2)本专利技术的待测电容的容值为：其中，Cref可以是0，DATA为数据抽取器最终输出的数值，N为该采样电路的最大位数。高精度的采样电路可以做
到16～32位，即N的范围为16～32；第一电容C1可集成在采样芯片内部，可做到pF级别，故该电路可以测量pF甚至fF级别的电容量，从而可以达到很高的精度。并且，改变参考电容Cref的容值，可以改变待测电容的检测范围，使得本高精度电容检测电路的适用范围更广。
附图说明
[0028]图1是常用的电容检测电路；
[0029]图2是本专利技术实施例提供的一种高精度电容测量电路的原理图；
[0030]图3是本专利技术实施例提供的一阶积分电路的原理图；
[0031]图4是图3中积分电路多级串联的原理图；
[0032]图5是本专利技术实施例提供的比较单元的电路原理图。
[0033]图示说明：
[0034]输入单元
‑
100；积分单元
‑
200；比较单元
‑
300；数据抽取单元
‑
400；数模转换单元
‑
500。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度电容测量电路，其特征在于，所述电容测量电路包括时钟单元、积分单元、比较单元、数模转换单元、数据抽取单元以及输入单元；时钟单元分别与所述输入单元、所述积分单元、所述比较单元及所述数据抽取单元相连；所述积分单元分别与所述输入单元及所述数模转换单元相连；比较单元分别与数据抽取单元及数模转换单元相连；其中，所述时钟单元用于输出时钟信号；所述输入单元包括待测电容及参考电容，所述输入单元用于根据所述时钟信号充电或向所述积分单元放电；所述积分器用于将所述待测电容与所述参考电容的放电量进行积分；所述比较器用于根据所述积分单元的积分结果输出数字信号；所述数据抽取单元用于对所述数字信号进行采样滤波，得到表征所述待测电容的电容值的数值；所述数模转换单元用于将所述数字信号转化为模拟信号反相输入至积分单元的输入端。2.根据权利要求1所述的一种高精度电容测量电路，其特征在于，所述时钟信号包括低电平及高电平，时钟信号为高电平时，所述待测电容及参考电容充电；时钟信号为低电平时，所述待测电容及参考电容放电。3.根据权利要求2所述的一种高精度电容测量电路，其特征在于，所述待测电容连接于所述积分单元的同相输入端，所述参考电容连接于所述积分单元的反相输入端，所述待测电容及参考电容远离所述积分单元的一端均通过第一开关连接基准电压、通过第二开关接地。4.根据权利要求2所述的一种高精度电容测量电路，其特征在于，所述数模转换单元包括数模转换器及分别连接于所述所述数模转换器的同相输出端的第一电容、连接于所述数模转换单元的同相输出端的第二电容；所述第一电容的另一端连接于积分单元的同相输入端，所述第二电容的另一端连接于所述积分单元的反相输入端；所述第一电容及所述第二电容的容值相等。5.根据权利要求2所述的一种高精度电容测量电路，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岩，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：