一种高精度电容测量电路及设备的制作方法

本申请涉及电容测量设备技术领域，具体而言，涉及一种高精度电容测量电路及设备。

背景技术：

随着电子技术的发展，电容在电路中有着极广泛的应用，对电容容值的测量在电容应用显得尤为常见和重要。目前存在的电容测量方法数量多，比如谐振法、阻抗法、震荡法虽然应用较多，但在小容值电容的测量和精度方面依旧无法满足精密测量。另外还有电桥法，测量精度高，但其硬件电路复杂，需要将精密电路将交流电转换为直流信号，且内置多个电容器，不利于小型化。所以需要提供一种方案以便于在满足测量精度的同时减小设备的体积。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种高精度电容测量电路及设备，用以实现满足测量精度的同时减小设备的体积的技术效果。

第一方面，本申请实施例提供了一种高精度电容测量电路，包括激励信号源、信号放大电路、电容接口、c-v转换电路、rc滤波器、第一电压跟随器和adc转换器；所述信号放大电路的输入端与所述激励信号源的输出端连接；所述电容接口的输入端与所述信号放大电路的输出端连接；所述c-v转换电路的输入端与所述电容接口的输出端连接；所述rc滤波器的输入端与所述c-v转换电路的输出端连接；所述第一电压跟随器的输入端与所述rc滤波器的输出端连接；所述第一电压跟随器的输出端与所述adc转换器的输入端连接；所述c-v转换电路包括第一运放、第一电阻、第一电容和可调电阻；所述第一运放的反相输入端与所述电容接口的输出端连接；所述第一运放的同相输入端接地；所述第一电阻、所述第一电容和所述可调电阻并联连接在所述第一运放的输出端和反相输入端之间。

进一步地，所述c-v转换电路还包括：第一二极管；所述第一二极管的正极与所述电容接口的输出端连接；所述第一二极管的负极与所述第一运放的反相输入端连接。

进一步地，所述c-v转换电路还包括：第二二极管；所述第二二极管的负极与所述电容接口的输出端连接；所述第二二极管的正极接地。

进一步地，所述c-v转换电路还包括：第二电容和第三电容；所述第二电容的第一端与所述第一运放的正极连接，所述第二电容的第二端接地；所述第三电容的第一端与所述第一运放的负极连接，所述第三电容的第二端接地。

进一步地，所述高精度电容测量电路还包括第三二极管；所述第三二极管的负极与所述第一电压跟随器的输出端连接；所述第三二极管的正极接地。

进一步地，所述信号放大电路包括：第二运放、第二电压跟随器、第四电容、第二电阻和第三电阻；所述第四电容的第一端与所述激励信号源的信号输出端连接；所述第四电容的第二端与所述第二运放的同相输入端连接；所述第二运放的反相输入端接地；所述第二运放的输出端与所述第二电压跟随器的输入端连接；所述第二电阻的第一端与所述第二运放的反相输入端连接；所述第二电阻的第二端与所述第二运放的输出端连接；所述第三电阻的第一端与所述第二运放的同相输入端连接；所述第三电阻的第二端接地。

进一步地，所述信号放大电路还包括：第五电容和第六电容；所述第五电容的第一端与所述第二运放的正极连接，所述第五电容的第二端接地；所述第六电容的第一端与所述第二运放的负极连接，所述第六电容的第二端接地。

进一步地，所述信号放大电路还包括：第四电阻和第五电阻；所述第四电阻的第一端与所述第四电容的第二端连接；所述第四电阻的第二端与所述第二运放的同相输入端连接；所述第五电阻的第一端与所述第二运放的反相输入端连接；所述第五电阻的第二端接地。

第二方面，本申请实施例提供一种高精度电容测量设备，包括微处理器以及与所述微处理器连接的显示器和上述高精度电容测量电路。

本申请能够实现的有益效果是：激励信号源产生的正弦波激励信号经过信号放大电路进行放大处理后输入到电容接口的输入端，经过被测电容后信号从电容接口的输出端输入c-v转换电路；c-v转换电路对信号进行指数放大后经过rc滤波器进行滤波处理；最后经过第一电压跟随器后输入adc转换器，使采集到的直流信号更加准确，提高了测量的精度；同时通过可调电阻可以根据电容的容值大小调节输出的直流信号，检测范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种高精度电容测量电路拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激励信号源的原理图；

图3为本申请实施例提供的一种c-v转换电路的原理图；

图4为本申请实施例提供的一种信号放大电路的原理图。

图标：10-高精度电容测量电路；100-激励信号源；200-信号放大电路；210-第二电压跟随器；300-电容接口；400-c-v转换电路；500-rc滤波器；600-第一电压跟随器；700-adc转换器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参看图1、图2、图3和图4，图1为本申请实施例提供的一种高精度电容测量电路拓扑结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种激励信号源的原理图；图3为本申请实施例提供的一种c-v转换电路的原理图；图4为本申请实施例提供的一种信号放大电路的原理图。

本申请实施例提供的高精度电容测量电路10包括激励信号源100、信号放大电路200、电容接口300、c-v转换电路400、rc滤波器500、第一电压跟随器600和adc转换器700；信号放大电路200的输入端与激励信号源100的输出端连接；电容接口300的输入端与信号放大电路200的输出端连接；c-v转换电路400的输入端与电容接口300的输出端连接；rc滤波器500的输入端与c-v转换电路400的输出端连接；第一电压跟随器600的输入端与rc滤波器500的输出端连接；第一电压跟随器600的输出端与adc转换器700的输入端连接；c-v转换电路400包括第一运放u14a、第一电阻r27、第一电容c28和可调电阻r24；第一运放u14a的反相输入端与电容接口300的输出端连接；第一运放u14a的同相输入端接地；第一电阻r27、第一电容c28和可调电阻r24并联连接在第一运放u14a的输出端和反相输入端之间。需要说明的是，第一电阻r27也可以为可调电阻，从而可以增加检测范围。c-v转换电路400输出直流信号的幅度r24和r27的并联电阻值有关，当被测电容的容值不变时，增大电阻r24，输出电压增大；减小电阻r24，则输出电压减小，且呈线性变化。

在一种实施方式中，激励信号源100可以选用集成芯片icl8038，icl8038用于产生正弦波激励信号。正弦波激励信号的输出频率为25khz。

在测量被测电容时，需要提供2只标准电容器，根据测量的最大值和最小值选择该标准电容器，若大于100p则选择100p标准电容c0和其最大值cmax作为2只基准电容；若小于100p则选择10p标准电容c0和100p标准电容cmax作为2只基准电容；若对最大值和最小值不确定时，选择100p和1000p电容作为标准电容。

接入电源并稳定工作后，接入c0并读取adc转换器700获得的电压值u1，再接入cmax并读取adc转换器700获得的电压值u2，通过两组数据可建立电容与电压之间的关系：

c0＝a*u1+b

cmax＝a*u2+b

则：

a＝(cmax-c0)/(u2-u1)

b＝c0-u1*(cmax-c0)/(u2-u1)

于是：

c＝(cmax-c0)/(u2-u1)*u+[c0-u1*(cmax-c0)/(u2-u1)]

其中，c表示被测电容值，u表示adc转换器700采集到的电压值。

通过上述运算获得线性关系后，即可接入被测电容，微处理器控制adc转换器700获得直流电压，即可测得被测电容容值。

在一种实施方式中，c-v转换电路400还包括：第一二极管d1；第一二极管d1的正极与电容接口300的输出端连接；第一二极管d1的负极与第一运放u14a的反相输入端连接。通过第一二极管d1，可以防止第一运放u14a的反馈信号对输入信号造成影响。

在一种实施方式中，c-v转换电路400还包括：第二二极管d2；第二二极管d2的负极与电容接口300的输出端连接；第二二极管d2的正极接地。通过第二二极管d2，可以对通过被测电容后的信号进行稳压处理。

在一种实施方式中，c-v转换电路400还包括：第二电容c37和第三电容c31；第二电容c37的第一端与第一运放u14a的正极连接，第二电容c37的第二端接地；第三电容c31的第一端与第一运放u14a的负极连接，第三电容c31的第二端接地。通过第二电容c37和第三电容c31可以对第一运放u14a的正负极输入电压进行滤波处理。

在一种实施方式中，高精度电容测量电路10还包括第三二极管d3；第三二极管d3的负极与第一电压跟随器600的输出端连接；第三二极管d3的正极接地。通过第三二极管d3可以对第一电压跟随器600的输出电压进行稳压处理。

在一种实施方式中，信号放大电路200包括：第二运放u12a、第二电压跟随器210、第四电容c32、第二电阻r23和第三电阻r29；第四电容c32的第一端与激励信号源100的信号输出端连接；第四电容c32的第二端与第二运放u12a的同相输入端连接；第二运放u12a的反相输入端接地；第二运放u12a的输出端与第二电压跟随器210的输入端连接；第二电阻r23的第一端与第二运放u12a的反相输入端连接；第二电阻r23的第二端与第二运放u12a的输出端连接；第三电阻r29的第一端与第二运放u12a的同相输入端连接；第三电阻r29的第二端接地。正弦波激励信号产生后通过信号放大电路200将信号幅度调节至5v，并通过第二电压跟随器210提高其驱动能力，输入至被测电容。

在一种实施方式中，信号放大电路200还包括：第五电容c34和第六电容c30；第五电容c34的第一端与第二运放u12a的正极连接，第五电容c34的第二端接地；第六电容c30的第一端与第二运放u12a的负极连接，第六电容c30的第二端接地。通过第五电容c34和第六电容c30可以对第二运放的正负极电压进行滤波处理。

在一种实施方式中，信号放大电路200还包括：第四电阻r28和第五电阻r22；第四电阻r28的第一端与第四电容c32的第二端连接；第四电阻r28的第二端与第二运放u12a的同相输入端连接；第五电阻r22的第一端与第二运放u12a的反相输入端连接；第五电阻r22的第二端接地。通过第五电阻r28和第五电阻r22，可以对电路进行保护。

本申请实施例还提供了一种高精度电容测量设备，包括微处理器以及与微处理器连接的显示器和上述高精度电容测量电路。微处理器与高精度电容测量电路的adc转换器700连接，用于接收adc转换器的输出信号，并在显示器上进行显示。

综上所述，本申请实施例提供一种高精度电容测量电路及设备，包括激励信号源、信号放大电路、电容接口、c-v转换电路、rc滤波器、第一电压跟随器和adc转换器；信号放大电路的输入端与激励信号源的输出端连接；电容接口的输入端与信号放大电路的输出端连接；c-v转换电路的输入端与电容接口的输出端连接；rc滤波器的输入端与c-v转换电路的输出端连接；第一电压跟随器的输入端与rc滤波器的输出端连接；第一电压跟随器的输出端与adc转换器的输入端连接；c-v转换电路包括第一运放、第一电阻、第一电容和可调电阻；第一运放的反相输入端与电容接口的输出端连接；第一运放的同相输入端接地；第一电阻、第一电容和可调电阻并联连接在第一运放的输出端和反相输入端之间；在提高测量精度的同时拓宽了测量范围；线路也更加简单，减小了设备的体积。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。