专利名称：电荷移转式的电容测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种测量电容值的测量装置，特别是有关于一种以电荷转移 来测量待测电容的测量装置装置(例如数位电表)。
背景技术：
本实用新型是在提供一个简易、快速的电容测量架构。一般电容测量的架构，往往 控制程序复杂，设计不易，且需要使用到模拟/数字转移器(A/D converter)，因而花费许 多电路成本，例如美国专利号第5136251、6275047及6624640等，都已揭露使用上述的方法 来测量电容值。另外，例如中国台湾第453443号公告专利所揭露的电容测量方法，虽然可 以避免使用到模拟/数字转移器，而使得其电路设计的成本较低，但是其测量方式需要多 个完全匹配的电流源；然而，在集成电路(IC)中制造的电流源，很难做到完全匹配，并且容 易因此造成测量的误差。对于上述的问题，本实用新型的测量装置不仅可大幅缩减电路成 本，且透过可变电阻的调校，可以得到一精准的电容测量值。
实用新型内容鉴于上述的实用新型背景中，为了得到一精准的电容测量值，本实用新型提供一 种配置有电容测量装置的数字电表或万用电表。因此，本实用新型的一主要目的在于提供 一种电容测量装置，可以通过电荷转移来测量待测电容，以获得一精确的电容测量值。本实用新型的另一主要目的在于提供一种电容测量装置，可通过电荷转移来测量 待测电容的电路，可以简化电容值测量的架构。本实用新型的再一主要目的在于提供一种电容测量装置，可将其整合于一集成电 路的芯片中，可以降低成本并提高电容测量装置的可靠度。依据上述的目的，本实用新型提供了一种电荷转移式的电容测量装置，包括一 参考电压装置，是用以提供一第一参考电压、一第二参考电压及一第三参考电压；一分压装 置，其一端与第一参考电压连接，用以提供一第四参考电压(Vst。p)；—第一比较装置，其一 输入端与一待测电容(Cx)连接，而其另一输入端则与第四参考电压连接；一第二比较装置， 其一输入端与一转移电容(Ct)连接；一第一开关装置，其一端与待测电容(Cx)连接，而其另 一端则与转移电容(Ct)连接；一第二开关装置，其一端与第二参考电压及第三参考电压连 接，而其另一端则与第二比较装置的另一输入端连接；一计数装置，其一端与第一比较装置 的输出端连接；以及一控制装置，是与第一开关装置、第二开关装置、计数装置及第二比较 装置的输出端连接；其中，该转移电容Ct的电容值小于该待测电容Cx的电容值。本实用新型取得的有益效果是1)、本实用新型提供的电容测量装置，不仅可大幅缩减电路成本，且透过可变电阻 的调校，可以得到一精准的电容测量值。2)、本实用新型提供的电容测量装置，可通过电荷转移来测量待测电容，可以简化 电容值测量的架构。[0010] 3)、本实用新型提供的电容测量装置，可将其整合于一集成电路的芯片中，可以降 低成本并提高电容测量装置的可靠度。
[0011]图1是本实用新型的电容测量装置的功能方块示意图；[0012]图2是本实用新型的电容测量装置的实施例的示意图；[0013]图3是本实用新型的电容测量装置的流程图；[0014]图4是本实用新型分别在充电阶段与电荷转移阶段的开关组态示[0015]图5是本实用新型的电容Ct与待测电容Cx的电位变化示意图；[0016]图6是本实用新型的测量装置的示意图。[0017]主要元件符号说明[0018]10测量装置[0019]20外壳[0020]22测试探针[0021]24测试探针[0022]26待测信号[0023]28操作接口[0024]30显不器[0025]32旋钮[0026]34电压/频率测量切换开关[0027]36频率切换开关[0028]100参考电压产生装置[0029]200分压装置[0030]300第一比较装置[0031]400第二比较装置[0032]500第一开关装置[0033]600第二开关装置[0034]700控制装置[0035]800计数装置[0036]900显示装置
具体实施方式
本实用新型在此所探讨的方向为一种电容值测量的装置，为了能彻底地了解本实 用新型，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其电路的组成。显然地，本实用新型的施行并 未限定于电容值测量装置的技艺者所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的电容值测量 装置或测量步骤等，并未描述于细节中，以避免造成本实用新型不必要的限制。本实用新型 的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本实用新型还可以广泛地施 行在其它的实施例中，且本实用新型的范围不受限定，其以之后的权利要求范围为准。首先，请参考图1，是本实用新型的电容测量装置的功能方块示意图。如图1所示，本实用新型的电容测量装置的相关电路则包括以下几个主要部分一个用来提供第一参 考电压(Vrl)，第二参考电压(Vr2)与第三参考电压(Vr3)的参考电压产生装置100 ；—个 与第一参考电压(Vrl)相连接并以分压调整出另一个参考电位(Vst。p)的分压装置200;第 一开关装置500，其一端与待测电容Cx相连接；一个用以将电荷转移至待测电容Cx的转移 电容Ct，其一端是与第一开关装置500连接，其中转移电容Ct的电容值远小于待测电容Cx; 第二开关装置600，其第一输入端与第二输入端分别与第二参考电压(Vr2)及第三参考电 压(Vr3)连接；第一比较装置300，其第一输入端与第二输入端分别与待测电容Cx及分压 装置200连接；第二比较装置400，其第一输入端与第二输入端分别与第一开关装置500及 第二开关装置600连接；一个计数装置800，与第一比较装置300的输出端连接，用以累加 并计算电容的数值；一个控制装置700，与第一开关装置500、第二开关装置600及计数装置 800相连接，用以控制第一开关装置500、第二开关装置600及计数装置800 ；—个显示装置 900，是与计数装置800连接，用以显示计数装置800的数值。接着，为了进一步说明本实用新型的电容值测量装置的详细运作过程，请继续参 考图2。图2是本实用新型相应图1中的分压装置、开关装置1与开关装置2的实际电路。 如图2所示，分压装置200包含电阻R1、R2及可变电阻R3，很明显地，依据电路分压原理，参 考电压Vst。p(又可称为第四参考电压)的大小可以由Rl及R2的比例决定，并可由可变电阻 R3来做微调。接着，第一开关装置500包含开关si、s2与电阻R4、R5，而与电阻R5连接的 Vs则为一个电压源。如图1及图2所示，开关sl、s2是由控制装置700来控制；第二开关装 置600则包含开关s3、s4,同样的，开关s3、s4由控制装置所控制。此外，在图1及图2中 所示的各个电位的绝对值大小有如下的关系I Vs I > Vr3 > Vr2 > Vrl > VstopU再接着请参考图3，是本实用新型的电容测量装置的流程图。如图3所示，当开始 进行测量时，测量装置会先进入电容充电阶段(ChargePhase)，如步骤310所示，此时控制 装置700会驱使第一开关装置500中的开关s2与第二开关装置600中的开关s3为导通 (ON)状态，并同时驱使第一开关装置500中的开关si与第二开关装置600中的开关s4为 不导通(OFF)状态，其电路的连接图如图4(a)所示。此时，电压源Vs会透过电阻R5对转 移电容Ct进行充电；当转移电容Ct的电位在电容充电阶段被电压源Vs充电至大于第三参 考电压Vr3时，则依据图2的电路图，其第二比较装置400的输出状态会改变，并将此状态 的改变传回控制装置700，此时控制装置700会驱使开关s2为不导通(OFF)状态，故电压源 Vs对转移电容Ct的充电动作便会停止，此时转移电容Ct的电位会维持在第三参考电压Vr3 的大小。请再继续参考图3，当在电容充电阶段(Charge Phase)结束时，接着进入电荷转 换阶段(Transfer Phase)，如步骤320所示，此时控制装置700会驱使开关si与s4为导通 (ON)状态，并驱使开关s2与s3为不导通(OFF)状态，其电路的连接图如图4(b)所示。此 时转移电容Ct的电荷会透过电阻R4转移至待测电容Cx，在电位转移的过程中，转移电容Ct 的电位会依据电阻R4的电阻值形成一放电的逐渐下降的曲线，相应地，待测电容Cx的电位 则会被充电而缓慢上升，直到当转移电容Ct的电位下降至低于第二参考电压Vr2时，则第 二比较装置400的输出状态会再次改变，并将此状态的改变传回控制装置700，此时控制装 置700会驱使开关si为不导通(OFF)状态，故转移电容Ct中的电荷转移动作便会停止，此 时转移电容Ct的电位会维持在第二参考电压Vr2的大小，而做完一次电荷的转移，计数装置800的数值则自动计数一次(或加1)，如步骤330所示。再如图3所示，若当电容测量装置判断出待测电容Cx的电位低于第四参考电压 Vst。P时，如步骤340所示，则电容测量装置会重复进行电容充电阶段(Charge Phase)与电 荷转换阶段(Transfer Phase)的步骤，同时计数装置800也不断地累加，直到待测电容Cx 的电位高于第四参考电压Vst。p为止，此时计数装置800的数值即为待测电容Cx的电容值。 上述的步骤340是由图1及图2中的第一比较装置300来执行。例如，当待测电容Cx的电 位小于第四参考电压Vst。p时，则第一比较装置300的状态不会改变，故计数装置800的数值 则自动计数。此外，要强调的是，当在进行图3的过程中，必须先将待测物放电至0V，如此才能 精确的测量到待测电容的电容值。请参考图5，是本实用新型的转移电容Ct与待测电容Cx在电容充电阶段与电荷 转换阶段的电位随时间变化的示意图。如图5所示，图中的Tl为电容充电阶段(Charge Phase)的长度，T2则为电荷转换阶段(TransferPhase)的长度。由图5可看出转移电容Ct 的电位不断地在第二参考电压Vr2与第三参考电压Vr3之间做变化，而待测电容Cx的电位 则由OV缓慢地上升。若在做了 N次的电荷转换阶段(Transfer Phase)的周期后，待测电 容Cx的电位逐次累积上升到Vst。p，则由电荷守恒定律，有如下的数学关系CxXVstop = CtX (Vr3-Vr2) XN-----(1)= = > Cx = Ct X (Vr3-Vr2) /Vstop X N ——(2)在方程式⑵中，由于转移电容Ct、第二参考电压Vr3与第三参考电压Vr2皆为固 定值，而第四参考电除了在做校正时，需透过可变电阻R3做微调，否则其亦为一固定 值，因此方程式(2)中的CtX(Vr3-Vr2)/Vst。p为一常数，由此可推知，待测电容Cx与N成正 比，且为一线性关系。故待测电容Cx可以依据做了 N次的电荷转换阶段来获得待测电容Cx 的电容值，以达到测量待测电容Cx的电容值的目的。本实用新型的电路建构完成之后，需要经过一次校正及比对，以使最后计数装置 得到的数值N能与实际的电容值相符。校正的目的，是要透过调整第四参考电压Vst。p的大 小来使方程式(2)成立。当我们选定适当的转移电容Ct、第二参考电压Vr2及第三参考电 压Vr3后，由于其本身皆会有一定的误差，另外第一比较装置与第二比较装置的偏移量(即 offset)也会造成一定的误差。而以上误差皆可透过调整第四参考电压Vst。p的大小来做校 正。校正的方式可通过另一个校正装置(例如校正器，Calibrator)送出一个已知的电容 值，并将此已知的电容值的信号输入至待测电容Cx的位置，然后通过调整可变电阻R3，来调 整第四参考电压Vst。p的大小；当第四参考电压Vst。p的大小改变，计数装置所累加的的数值 N亦会改变，最后调整到N与该已知电容值一致即可。举例而言，若转移电容Ct的电容值为 IuF,第三参考电压Vr3为2. 3V，第二参考电压Vr2为1. 5V，当由校正器送出一个IOOOOuF 的电容值来做校正时，若要使N= 10000，则由方程式(2)可知，而在做校正时，须将第四参 考电压Vst。p调整到0. 8V。而当第四参考电压Vst。p调整完且固定为0. 8V之后，下次再输入 一个5000uF的待测电容Cx，同样由方程式(2)便可得到N = 5000的电容值。接着，请参考图6，是本实用新型的测量装置的示意图。此测量装置10，是一电表、 数字或万用电表，具有一外壳20，且在外壳20的底部设有一对测试探针22/24，以测量一待 测信号26。除此之外，外壳20上具有一操作接口 28及一显示器30，操作接口 28上设有一
6旋钮32，可经旋转以选择不同的测量功能或模式，例如测量电压值、测量电流值、测量电 阻值或测量电容值，使测量结果显示于显示器30上。此外，操作接口 28上还具有一电压/ 频率测量切换开关34及一频率切换开关36，电压/频率测量切换开关34是可供使用者切 换电压测量或频率测量，而频率切换开关36亦可供使用者选择或切换至不同的频率，使测 量装置10提供不同频率的滤波功能。因此，当测量装置10中的电容测量装置的电路以图 1来取代时，则测量装置10即可以利用一个比待测电容Cx小的转移电容Ct，通过充电阶段 与电荷转移阶段来逐次将转移电容Ct的电荷转移至待测电容Cx，在做电荷转移的过程中， 待测电容Cx的电位会不断的变化，当待测电容Cx的电位与一设定的电压(例如第四参考 电压Vst。p)相同时，即可经由充电阶段与电荷转移阶段的次数来得到待测电容Cx的电容值。 由于，转移电容Ct的电容值小于待测电容Cx的电容值，同时由方程式⑵所显示的待测电 容Cx与N成线性关系，故本实用新型的测量装置在执行待测电容Cx的测量时，可以获得一 准确的测量电容值。再者，由于本实用新型的电容测量装置中的所有电路元件，均能整合于 一颗集成电路所形成的芯片(chip)中，故可以降低成本与测量装置的体积并增加测量装 置的可靠度。同时，当测量装置已经整合成一颗集成电路所形成的芯片(chip)时，本实用 新型的电容测量装置可以完全配置于测量装置的芯片(chip)中。 显然地，依照上面实施例中的描述，本实用新型可能有许多的修正与差异。因此需 要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本实用新型还可以 广泛地在其它的实施例中施行。上述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用以限定本 实用新型的权利要求范围；凡其它未脱离本实用新型所揭示的精神下所完成的等效改变或 修饰，均应包含在下述权利要求范围内。
权利要求一种电荷转移式的电容测量装置，其特征在于，包括一参考电压装置，是用以提供一第一参考电压、一第二参考电压及一第三参考电压；一分压装置，其一端与该第一参考电压连接，用以提供一第四参考电压Vstop；一第一比较装置，其一输入端与一待测电容Cx连接，而其另一输入端则与该第四参考电压连接；一第二比较装置，其一输入端与一转移电容Ct连接；一第一开关装置，其一端与该待测电容Cx连接，而其另一端则与该转移电容Ct连接；一第二开关装置，其一端与该第二参考电压及该第三参考电压连接，而其另一端则与该第二比较装置的另一输入端连接；一计数装置，其一端与该第一比较装置的输出端连接；以及一控制装置，是与该该第一开关装置、该第二开关装置、该计数装置及该第二比较装置的输出端连接；其中，该转移电容Ct的电容值小于该待测电容Cx的电容值。
2.根据权利要求1所述的电荷转移式的电容测量装置，其特征在于，该分压装置包括 一可变电阻。
3.根据权利要求1所述的电荷转移式的电容测量装置，其特征在于，该测量装置为一 集成电路的芯片。
专利摘要本实用新型公开了电荷移转式的电容测量装置，是在提供一个简易、快速且精确的电容测量装置。测量的方式是先将待测物放电至0V，然后利用一个比待测物小的电容，逐次地将本身的电荷转移至待测物，在做电荷转移的过程中，待测物的电位会不断的变化，待测物的电容值将可由电位的变化量与电荷转移的次数被计算出来。
文档编号G01R27/26GK201654137SQ20092024995
公开日2010年11月24日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者黎俊良 申请人:承永资讯科技股份有限公司