一种高精度电容测量电路及方法

1.本发明涉及电路技术领域，特别涉及一种高精度电容测量电路及方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高精度电容测量电路及方法。
6.本发明要解决的是现有技术检测电容的精度不高的问题。
7.为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
8.一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；
9.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；
10.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；
11.比较单元分别与数据抽取单元及数模转换单元相连；
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.一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：
19.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；
20.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；
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.与现有技术相比，本发明技术方案及其有益效果如下：
26.(1)本发明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。
27.(2)本发明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
28.图1是常用的电容检测电路；
29.图2是本发明实施例提供的一种高精度电容测量电路的原理图；
30.图3是本发明实施例提供的一阶积分电路的原理图；
31.图4是图3中积分电路多级串联的原理图；
32.图5是本发明实施例提供的比较单元的电路原理图。
33.图示说明：
34.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
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图图2所示，一种高精度电容测量电路，用于测量高精度电容的容值，具体的包括时钟单元、输入单元100、积分单元200、比较单元300、数模转换单元500及数据抽取单元400。
37.时钟单元分别与输入单元100、积分单元200、比较单元300及数据抽取单元500相连，积分单元200分别与输入单元100及数模转换单元500相连，比较单元300分别与数据抽取单元400及数模转换单元500相连。
38.时钟单元用于输出时钟信号，本实施例的时钟信号为高电平及低电平。输入单元包括待测电容c0及参考电容cref，输入单元100根据时钟信号充电或向积分单元200放电，具体的是，当时钟信号为高电平时，待测电容c0及参考电容cref充电，当时钟信号为低电平时，待测电容c0及参考电容cref将时钟为高电平时储存的电荷供给积分单元200。积分单元200对待测电容c0及参考电容cref的放电量进行积分，比较单元300根据积分单元200的积分结果输出数字信号。数据抽取单元400用于对数字信号进行采样滤波，得到表征待测电容c0的电容值的数值，数模转换单元500将数字信号转化为模拟信号输入至积分单元的输入端。
39.继续参阅图2，待测电容c0连接于积分单元200的同相输入端，参考电容cref连接于积分单元200的反相输入端，待测电容c0及参考电容cref远离积分单元200的一端均通过第一开关s1连接基准电压、通过第二开关s2接地。
40.数模转换单元500包括数模转换器及分别连接于数模转换器的同相输出端的第一电容c1、连接于所述数模转换单元的同相输出端的第二电容c2；第一电容c1的另一端连接
于积分单元200的同相输入端，第二电容的另一端连接于积分单元200的反相输入端；第一电容c1及第二电容c2的容值相等。数模转换单元500的反相输出端与c1耦合后连接至积分单元200的同相输入端，数模转换单元500的同相输出端与c2耦合后连接至积分单元200的反相输入端，这样反相叠加实现补偿待测电容c0与参考电容cref之间的电荷差。
41.如图3所示，积分单元200包括一阶积分电路。如图4，积分单元200还可以由多个一阶积分电路串联形成，多级串联的积分器可以在更短的时间内获取同等精度的采样值，或者在同样时间内获取更高精度的采样值。可以理解的是，数模转换单元的输出端，即第一电容c1远离数模转换器的一端及第二电容c2远离数模转换器的一端，可以连接在第一个一阶积分电路的输入端(输入单元的输出端)，也可以连接在任意相邻两个一阶积分电路的输出端与输入端之间。
42.图5是本发明提供的一种比较器电路的原理图，该比较器具有极低的功耗，在输入信号大于1mv时有着极快的比较速度。当然，比较单元还可以采用其他比较器电路，能较好的实现比较效果即可。
43.数据抽取单元可以是一个简单的累加器，或者是二阶累加器，或者高阶累加器。其功能是在每个时钟周期内，对比较单元300输出的数字信号进行运算处理，具体的是，在每个高电平上升沿对比较单元300的输出进行采样并滤波。
44.本发明还提供一种基于上述高精度电容检测电路的检测方法。
45.在时钟信号为高电平时候，第一开关s1闭合，第二开关s2断开，待测电容c0和参考电容cref的公共端接到参考电压vref，待测电容c0和参考电容cref被充电，存储电荷量分别为q0＝c
0vref
和q
ref
＝c
refvref
；同时，比较单元保持上一时刻的比较结果，并将结果传给数模转换单元，数模转换单元的反相输出端与第一电容c1耦合后输入积分单元的同相输入端，数模转换单元的同相输出端与第二电容c2耦合后输入至积分单元的反相输入端。
46.当时钟信号为低电平时，第一开关s1断开，第二开关s2闭合，待测电容c0和参考电容cref的公共端接到地，待测电容c0的另外一端接入积分单元的同相输入端，参考电容cref的另外一端接入积分单元的反相输入端，待测电容c0和参考电容cref放电，将时钟为高电平时储存的电荷供给积分单元；同时，积分单元的输出被比较单元捕捉，比较单元的输出依据积分单元的输出得到一个0或者1的数字信号。
47.上述过程在时钟信号的控制下一直重复，而数据抽取单元在时钟信号的上升沿对比较单元的输出进行采样并滤波。
48.如此，经过一定的时间，由于积分器是由放大器组成，其正负输入端始终会保持相等，根据电荷守恒原理，最终可得到待测电容的容值为：等，根据电荷守恒原理，最终可得到待测电容的容值为：其中，data为数据抽取单元最终输出的数值，n为该采样电路的最大位数。值得注意的是，cref可以是0，data可以是正数或负数，数据抽取单元的抽取次数为奇数次。
49.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。
50.本发明的高精度电容检测电路及检测方法，将待测电容直接接入积分单元，通过
与数模转换单元的输出耦合，将待测电容与参考电容的差值转化为电荷量的差值输入到数模转换单元，利用高精度的数模转换器，直接采样得到表征待测电容的容值的数值，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。
51.上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。