CN115825581B - 一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，包括：同步开关电容电桥电路，用于通过模拟开关对基准电容和待测电容进行充放电操作，且模拟开关受同步脉冲信号控制，实现模拟开关之间的同步切换；积分反馈电路，用于通过运算放大器的负输入端接入模拟开关的常开脚，浮空时，运算放大器保持输出电压不变；及通过运算放大器的正输入端接入模拟开关的常闭脚，并接入所述同步开关电容电桥电路的中点时，输出电压和所述同步开关电容电桥电路形成闭环，且构成负反馈；通过负反馈调节输出电压，使所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡。本发明具有电路结构简单稳定、抗杂散干扰性能好，易于测量的特点，可用于基于电容变化测量的传感器。

Description

一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路

技术领域

本发明涉及微小电容变化检测技术领域，具体涉及一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路。

背景技术

微小电容测量技术广泛应用于军工制造、航天航空、真空测量、生物医学等相关领域。在很多工业运用场景下，待测电容的变化量往往小于杂散电容从而导致测量不准确。目前常用的微小电容测量方法主要有：谐振法、微分法等，以上方法均无法屏蔽杂散电容带来的干扰。

谐振法，如图1所示，图1为谐振法电路示意图。这种测量方法主要是通过一块如NE555等时基芯片来测量电容大小。让NE555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下，NE555芯片输出一定频率的方波，其频率的大小跟被测量的电容之间的关系是：

固定R的大小，其公式就可以写为：

只要能够测量出NE555芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。受限于输出频率影响，该方法的采集速率通常较慢，不适用于需要快速响应的场景，且受各种寄生分布电容影响，难以完成高精度测量。

微分法，如图2所示，图2为微分运算电路原理图。测量时，需要给微分运算电路输入一个激励信号源如正弦振荡信号。为达到微分效果，电路中RC的时间常数必须满足条件：RC＜＜τ。式中τ为输入振荡信号周期T的二分之一；R单位为Ω(欧姆)，C单位为μF(微法)，τ的单位为μS(微秒)。然后依据时间常数条件和待测电容容值C_x来选择确定R阻值。

由图2可知，微分运算电路由待测电容C_x，电阻R和运算放大器构成。待测电容两端电压U_c(t)等于激励信号输入电压U_i(t)，通过C_x的电流是其电压的微分。电阻的电流I_r和电容电流I_c相等，所以

微分运算电路的输出为：

因输入信号U_i(t)为固定频率正弦信号，当R固定大小时，该输出电压U_o(t)的有效值U_o(t)随着C_x进行线性相关变化。但该方法无法在有较大杂散电容的情况下进行精准测量。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有微小电容测量方法无法在有较大杂散电容的情况下进行精准测量。本发明目的在于提供一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，基于同步开关电容电桥电路，通过运算放大器对待测电容C_x和基准电容C_ref连接点B的电流进行积分使电桥达到平衡，电桥平衡时，有输出关系式：

其中，V_ref为基准电压，V_out为输出电压的信号量；从而实现将电容变化量转换为电压信号量对外输出。本发明用于微小电容检测时，将电容量转换为电压信号，且本电路对杂散电容具有很强的抑制特性。本发明具有电路结构简单稳定、抗杂散干扰性能好，易于测量的特点，可适用于基于电容变化测量的传感器。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，该测量电路包括：

同步开关电容电桥电路，用于通过模拟开关对基准电容和待测电容进行充放电操作，且模拟开关受同步脉冲信号控制，实现模拟开关之间的同步切换；

积分反馈电路，用于通过运算放大器的负输入端接入模拟开关的常开脚，浮空时，运算放大器保持输出电压不变；及通过运算放大器的正输入端接入模拟开关的常闭脚，并接入所述同步开关电容电桥电路的中点时，输出电压和所述同步开关电容电桥电路形成闭环，且构成负反馈；通过负反馈调节输出电压，使所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡。

进一步地，所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡时，存在以下输出关系式，实现将待测电容的电容变化量转换为电压信号量对外输出；所述输出关系式为：

其中，V_out为输出电压的信号量，V_ref为基准电压，C_x为待测电容的电容值，C_ref为基准电容的电容值。

进一步地，所述同步开关电容电桥电路包括第一运算放大器U1A、第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A、基准电容C_ref和待测电容C_x；

所述第一运算放大器U1A接成电压跟随器，作为第二同步开关S2A的输入缓冲；

所述第一运算放大器U1A的正向输入端接入基准电压V_ref，第一运算放大器U1A的负向输入端连接第一同步开关S1A的常闭脚SB，第一运算放大器U1A的输出端连接第二同步开关S2A的常闭脚SB；第二同步开关S2A的常开脚SA接地，第二同步开关S2A的公共脚D连接待测电容C_x的上端A点；待测电容C_x的下端B点同时连接到基准电容C_ref的上端和第一同步开关S1A的公共脚D，第一同步开关S1A的常闭脚SB同时连接到所述积分反馈电路的输入端第二运算放大器U1B的正向输入端和基准电压V_ref；第三同步开关S3A的常闭脚SB接地，第三同步开关S3A的常开脚SA连接所述积分反馈电路的输出端，第三同步开关S3A的公共脚连接基准电容C_ref的下端C点。

所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的GND脚均接地，电源输入脚V+均接电源VCC，IN脚均接频率固定、占空比为50％的方波激励信号。

进一步地，所述第一运算放大器U1A采用高压摆率、低漂移、低输入偏置电流的运算放大器；具体地，高压摆率指压摆率大于15V/us，低漂移指漂移小于15uV/℃、低输入偏置电流指输入偏置电流小于25pA；

所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A均采用低漏电流、低导通电阻的单刀双掷开关；具体地，低漏电流指漏电流小于50nA、低导通电阻指导通电阻小于40欧。

进一步地，所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的开关频率均由时基电路或者微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)等提供，具体频率可根据实际需求和器件选择。

进一步地，所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的开关频率可根据实际电路和精度需求调整，典型值为10KHz。

进一步地，第二同步开关S2A的公共脚在激励信号的作用下实际对待测电容C_x上端A点加载了一个频率固定、占空比为50％，幅度为基准电压V_ref的方波信号；同时第一同步开关S1A通过所述积分反馈电路对基准电容C_ref下端C点加载一个幅度为输出电压V_out，占空比为50％，相位相反的方波信号。

进一步地，所述积分反馈电路包括第二运算放大器U1B和积分电容C_f，所述第二运算放大器U1B的正向输入端连接基准电压V_ref，第二运算放大器U1B的负向输入端连接第一同步开关S1A的常开脚SA和积分电容C_f的一端，第二运算放大器U1B的输出端连接第三同步开关S3A的常开脚SA和积分电容C_f的另一端。

进一步地，所述第二运算放大器U1B采用高压摆率、低漂移、低输入偏置电流的运算放大器；具体地，高压摆率指压摆率大于15V/us，低漂移指漂移小于15uV/℃、低输入偏置电流指输入偏置电流小于25pA。

进一步地，该测量电路适用于基于电容变化测量的传感器。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，基于同步开关电容电桥电路，通过运算放大器对待测电容C_x和基准电容C_ref连接点B的电流进行积分使电桥达到平衡，电桥平衡时，有输出关系式：

其中，V_ref为基准电压，V_out为输出电压的信号量；从而实现将电容变化量转换为电压信号量对外输出。本发明用于微小电容检测时，将电容量转换为电压信号，且本电路对杂散电容具有很强的抑制特性。本发明具有电路结构简单稳定、抗杂散干扰性能好，易于测量的特点，可适用于基于电容变化测量的传感器。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为谐振法电路示意图；

图2为微分运算电路原理图；

图3为本发明一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路示意图；

图4为本发明常闭导通时电路等效图；

图5为本发明常开导通时电路等效图；

图6为本发明电荷再平衡分析电路等效图；

图7为本发明引入杂散电容的微小电容测量电路示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

基于现有微小电容测量方法(谐振法、微分法)无法在有较大杂散电容的情况下进行精准测量。本发明设计了一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，基于同步开关电容电桥电路，通过运算放大器对待测电容C_x和基准电容C_ref连接点B的电流进行积分使电桥达到平衡，电桥平衡时，有输出关系式：

其中，V_ref为基准电压，V_out为输出电压的信号量；从而实现将电容变化量转换为电压信号量对外输出。

本发明用于微小电容检测时，将电容量转换为电压信号，且本电路对杂散电容具有很强的抑制特性。本发明具有电路结构简单稳定、抗杂散干扰性能好，易于测量的特点，可适用于基于电容变化测量的传感器。

实施例1

如图3所示，本发明一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，该测量电路包括：

同步开关电容电桥电路，基准电压、输出电压通过模拟开关对基准电容和待测电容进行充放电操作，且模拟开关受同步脉冲信号控制，实现模拟开关之间的同步切换；

积分反馈电路，用于通过运算放大器的负输入端接入模拟开关的常开脚，浮空时，运算放大器保持输出电压不变；及通过运算放大器的正输入端接入模拟开关的常闭脚，并接入所述同步开关电容电桥电路的中点时，输出电压和所述同步开关电容电桥电路形成闭环，且构成负反馈；通过负反馈调节输出电压，使所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡。

作为进一步地实施，所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡时，存在以下输出关系式，实现将待测电容的电容变化量转换为电压信号量对外输出；所述输出关系式为：

其中，V_out为输出电压的信号量，V_ref为基准电压，C_x为待测电容的电容值，C_ref为基准电容的电容值。

作为进一步地实施，所述同步开关电容电桥电路包括第一运算放大器U1A、第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A、基准电容C_ref和待测电容C_x；

所述第一运算放大器U1A接成电压跟随器，作为第二同步开关S2A的输入缓冲；

所述第一运算放大器U1A的正向输入端接入基准电压V_ref，第一运算放大器U1A的负向输入端连接第一同步开关S1A的常闭脚SB，第一运算放大器U1A的输出端连接第二同步开关S2A的常闭脚SB；第二同步开关S2A的常开脚SA接地，第二同步开关S2A的公共脚D连接待测电容C_x的上端A点；待测电容C_x的下端B点同时连接到基准电容C_ref的上端和第一同步开关S1A的公共脚D，第一同步开关S1A的常闭脚SB同时连接到所述积分反馈电路的输入端第二运算放大器U1B的正向输入端和基准电压V_ref；第三同步开关S3A的常闭脚SB接地，第三同步开关S3A的常开脚SA连接所述积分反馈电路的输出端，第三同步开关S3A的公共脚连接基准电容C_ref的下端C点。

所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的GND脚均接地，电源输入脚V+均接电源VCC，IN脚均接频率固定、占空比为50％的方波激励信号。

作为进一步地实施，所述第一运算放大器U1A采用高压摆率、低漂移、低输入偏置电流的运算放大器；具体地，高压摆率指压摆率大于15V/us，低漂移指漂移小于15uV/℃、低输入偏置电流指输入偏置电流小于25pA；

所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A均采用低漏电流、低导通电阻的单刀双掷开关，或者其他多个集成式单刀双掷模拟开关；具体地，低漏电流指漏电流小于50nA、低导通电阻指导通电阻小于40欧。

作为进一步地实施，所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的开关频率均由时基电路或者微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)等提供，具体频率可根据实际需求和器件选择。

作为进一步地实施，所述第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的开关频率根据实际电路和精度需求调整，典型值为10KHz。

作为进一步地实施，第二同步开关S2A的公共脚在激励信号的作用下实际对待测电容C_x上端A点加载了一个频率固定、占空比为50％，幅度为基准电压V_ref的方波信号；同时第一同步开关S1A通过所述积分反馈电路对基准电容C_ref下端C点加载一个幅度为输出电压V_out，占空比为50％，相位相反的方波信号。

作为进一步地实施，所述积分反馈电路包括第二运算放大器U1B和积分电容C_f，所述第二运算放大器U1B的正向输入端连接基准电压V_ref，第二运算放大器U1B的负向输入端连接第一同步开关S1A的常开脚SA和积分电容C_f的左端，第二运算放大器U1B的输出端连接第三同步开关S3A的常开脚SA和积分电容C_f的右端。

作为进一步地实施，所述第二运算放大器U1B采用高压摆率、低漂移、低输入偏置电流的运算放大器；具体地，高压摆率指压摆率大于15V/us，低漂移指漂移小于15uV/℃、低输入偏置电流指输入偏置电流小于25pA。

本发明的具体原理，如下：

如图3所示：同步开关电容电桥电路主要包括第一运算放大器U1A和三个低漏电流、低导通电阻的单刀双掷同步开关；第一运算放大器U1A连接为电压跟随器作为第二同步开关S2A的输入缓冲；所有同步开关的开关频率由时基电路或者微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)等提供，具体频率可根据实际需求和器件选择。第二同步开关S2A的公共脚在激励信号的作用下实际对待测电容C_x上端A点加载了一个频率固定、占空比为50％，幅度为V_ref的方波信号；同时第一同步开关S1A通过积分反馈电路对基准电容C_ref下端C点加载一个幅度为V_out，占空比为50％，相位相反的方波信号由此构成一个电桥电路。

当第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A在激励信号作用下常闭脚SB与公共脚D导通时，待测电容C_x上端A点电压为V_ref，待测电容C_x下端B点电压也为V_ref，此时电路仅对基准电容C_ref充电，其等效电路如图4所示。

根据：

Q＝U*C(1.1)

可得基准电容C_ref获得的电荷量：

Q＝C_ref*V_ref(1.2)

当第一同步开关S1A、第二同步开关S2A、第三同步开关S3A在激励信号作用下常开脚SA与公共脚D导通时，待测电容上端A点接地，待测电容C_x下端B点接第二运算放大器U1B的负相输入端和积分电容C_f左端，设该处的电压为V_b，基准电容C_ref下端C接第二运算放大器U1B的输出和积分电容C_f右端，电压为V_out，其等效电路如图5所示。

由等效电路图5可知，电压V_b分别由等效恒流源V_out在待测电容C_x上的分压V_b1和基准电容C_ref存储电荷再分配后的电压V_b2两部分构成。根据电容串联分压公式，V_out在待测电容C_x上的分压V_b1为：

在对基准电容C_ref上的电荷再平衡进行分析时，根据戴维南定理，图5等效电路可以等效为图6所示。

根据：

可得V_b2为：

综上所述，可得V_b点电压为：

若V_b小于V_ref时，第二运算放大器U1B输出电压V_out增大，V_b随之增大，反之V_b减小，整个电路构成负反馈。

当同步开关电容电桥电路的电桥达到平衡时，即该处V_b＝V_ref，由式1.6可得：

展开得：

由此将电容变化量转为电压变化量实现了微小电容的测量。

本发明的最显著优势是具有很好的杂散电容抑制特性，特别是对杂散电容的抑制。

如图7所示，C1、C2、C4分别代表电路中可能因电缆或者屏蔽造成的杂散电容或寄生电容(本发明实际电路图中并无以上器件，此处画出仅作原理说明)。在电桥平衡时，因为C4上端交流电压为0，所以此处C4等效为一个滤波电容不对测量结果产生影响，且C4为电路板的寄生电容，一般很小；在第二同步开关S2A、第三同步开关S3A的周期性切换时，C1与待测电容C_x是并联关系，C2与待测电容C_x、基准电容C_ref构成的串联电容也是并联关系，仅构成第一运算放大器U1A和第二运算放大器U1B的负载，不参与电容电桥平衡，当第一运算放大器U1A的驱动能力足够的情况下，不对电路的输出特性产生影响。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上端”、“下端”、“左端”、“右端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，该测量电路包括：

同步开关电容电桥电路，用于通过模拟开关对基准电容和待测电容进行充放电操作，且模拟开关受同步脉冲信号控制，实现模拟开关之间的同步切换；

积分反馈电路，用于通过运算放大器的负输入端接入模拟开关的常开脚，浮空时，运算放大器保持输出电压不变；及通过运算放大器的正输入端接入模拟开关的常闭脚，并接入所述同步开关电容电桥电路的中点时，输出电压和所述同步开关电容电桥电路形成闭环，且构成负反馈；通过负反馈调节输出电压，使所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡；

所述同步开关电容电桥电路包括第一运算放大器、第一同步开关、第二同步开关、第三同步开关、基准电容和待测电容；

所述第一运算放大器接成电压跟随器，作为第二同步开关的输入缓冲；所述第一运算放大器的正向输入端接入基准电压，第一运算放大器的负向输入端连接第一同步开关的常闭脚，第一运算放大器的输出端连接第二同步开关的常闭脚；第二同步开关的常开脚接地，第二同步开关的公共脚连接待测电容的上端；待测电容的下端同时连接到基准电容的上端和第一同步开关的公共脚，第一同步开关的常闭脚同时连接到所述积分反馈电路的输入端和基准电压；第三同步开关的常闭脚接地，第三同步开关的常开脚连接所述积分反馈电路的输出端，第三同步开关的公共脚连接基准电容的下端；

所述第一同步开关、第二同步开关、第三同步开关的GND脚均接地，电源输入脚V+均接电源VCC，IN脚均接方波激励信号；

所述积分反馈电路包括第二运算放大器和积分电容；

所述第二运算放大器的正向输入端连接基准电压，第二运算放大器的负向输入端连接第一同步开关的常开脚和积分电容的一端，第二运算放大器的输出端连接第三同步开关的常开脚和积分电容的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述同步开关电容电桥电路达到电桥平衡时，存在以下输出关系式，实现将待测电容的电容变化量转换为电压信号量对外输出；所述输出关系式为：

其中，V_out为输出电压的信号量，V_ref为基准电压，C_x为待测电容的电容值，C_ref为基准电容的电容值。

3.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述第一运算放大器采用压摆率大于15V/us、漂移小于15uV/℃、输入偏置电流小于25pA的运算放大器；

所述第一同步开关、第二同步开关、第三同步开关均采用漏电流小于50nA、导通电阻小于40欧的单刀双掷开关。

4.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述第一同步开关、第二同步开关、第三同步开关的开关频率均由时基电路或者微控制单元MCU提供，具体频率根据实际需求和器件选择。

5.根据权利要求4所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述第一同步开关、第二同步开关、第三同步开关的开关频率根据实际电路和精度需求调整。

6.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述第二同步开关的公共脚在激励信号的作用下对待测电容上端加载一个频率固定、占空比为50％，幅度为基准电压的方波信号；同时第一同步开关通过所述积分反馈电路对基准电容下端加载一个幅度为输出电压，占空比为50％，相位相反的方波信号。

7.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，所述第二运算放大器采用压摆率大于15V/us、漂移小于15uV/℃、输入偏置电流小于25pA的运算放大器。

8.根据权利要求1所述的一种具有杂散电容抑制特性的微小电容测量电路，其特征在于，该测量电路适用于基于电容变化测量的传感器。

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