一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路、装置及方法

本发明涉及电容测量，具体涉及一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路、装置及方法。

背景技术：

1、随着科技的迅猛发展，各行各业对电容检测的精度、灵敏度、分辨率以及测量范围等提出了更高的要求，因此各国研究学者或计量测试部门纷纷投入了大量的精力和人力，旨在研究出一种测量范围广、精度高、分辨率高的电容检测电路；对于宏观系统，可以采用直接测量的方式估算出系统内部寄生电容的大小，但是对于mems器件而言，mems器件是在硅等半导体基底材料上制作而成的微小结构腔体，其寄生电容主要来源于功能电极到其相邻的微观结构和基底，而且mems往往具有不同的微观结构，从而导致mems器件的寄生电容难以测量或者计算。

2、为了解决或减少寄生电容的问题，有人提出通过适当的电路调节手段来补偿或减弱寄生电容的影响，然而，目前提出的调节技术，需要手动校准或预设一些参数，以适应不同的工作条件和寄生电容情况，随着装置的工作环境变化，导致设置的参数失效，仍需要再次进行手动校准，因此，为了更好地补偿不同工作条件下的寄生电容影响，亟需一种可以自动补偿寄生电容的电容测量装置。

3、综上所述，研发一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路、装置及方法，仍是电容测量技术领域中急需解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路、装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种自补偿寄生电容的电桥电容测量装置，包括核心控制器、采集模块、pi控制模块、测量电路、pc上位机和电源模块，所述采集模块的输入端与测量电路的输出端连接，所述采集模块的输出端与fpga的io口连接；

4、所述核心控制器可实现对采集模块、pi控制模块的时序控制和与pc上位机进行串口通信；

5、所述采集模块可以完成与待测电容相关交流信号的采集；

6、所述pi控制模块主要由fpga内部ip核构成，在系统校零的过程中，用于优化校准电容步骤和校准时间，提高系统测量时间；

7、所述测量电路可实现紧耦合电桥电容信号的输出和信号调理；

8、所述pc上位机用于接受fpga发送的数据，并通过上位机软件显示出当前测量的电容容值；

9、所述电源模块用于向系统各个部分供电，包括数字电源和模拟电源。

10、本发明进一步设置为：所述核心控制器对采集模块的连接，主要是通过走线连接采集模块的时钟和并行数据线，所述核心控制器与pc上位机进行串口通信时，需要先在fpga内部构建uart通信块，然后通过fpga的io口连接pc上位机。

11、本发明进一步设置为：所述核心控制器对pi控制模块时序控制时，首先fpga内部构建pi控制块，然后通过fpga的io连接可编程数字电容，完成可编程数字电容的pi控制。

12、一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路，包括紧耦合电桥、反向器a1、可编程电容器ct、放大器a2和滤波器a3，所述紧耦合电桥包括耦合振荡器l、待测电容传感器cx、参考电容c1、电容元件和电阻元件；

13、所述紧耦合电桥可以实现与电容相关的交流信号的输出；

14、所述反向器a1用于对激励信号进行反向操作，为后续信号调理提供信号；

15、所述可编程电容器ct用于补偿寄生电路和调节电容传感器的测量范围；

16、所述放大器a2用于对紧耦合电桥输出的信号进行放大，使输出信号的变化更加敏感；

17、所述滤波器a3用于对放大器a2输出的信号进行滤波操作，除去高频噪声和干扰。

18、本发明进一步设置为：所述泄漏电容传感器cx的一端与参考电容c1的一端相连接，且所述泄漏电容传感器cx的另一端分别与耦合振荡器l的两端连接。

19、本发明进一步设置为：所述耦合振荡器l的另一端直接相连并接地，所述反向器a1的输入端连接激励信号，且所述反向器a1的输出端连接可编程电容器ct，所述可编程电容器ct的输出端连接待测电容传感器cx，所述放大器a2的输入端连接紧耦合电桥的桥臂，所述放大器a2的输出端与滤波器a3的输入端连接，所述滤波器a3的输出端与采集模块相连。

20、一种自补偿寄生电容的电桥电容测量方法，包括以下步骤：

21、s1、首先将电容传感器接入测量电路，然后根据系统自动校准电路，进行恒为零的输出；

22、s2、完成上述测量校准之后，通过改变泄露电容传感器cx的容值，使得此时cx＝ct+△c，由电路输出可得：

23、

24、s3、通过采集模块采集电路输出的信号，可以得到与泄露电容传感器cx相关的数字量，进而通过线性关系，得到泄露电容传感器cx的容值。

25、本发明进一步设置为：在步骤s1中，上述操作是通过调节可编程数字电容ct实现的，具体为通过调节ct，使ct等于cx，因此测量电路输出为0。

26、有益效果

27、采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下

28、有益效果：

29、(1)本发明中，该测量装置的核心控制器可实现对采集模块、pi控制模块的时序控制和与pc上位机进行串口通信，采集模块可以完成与待测电容相关交流信号的采集，pi控制模块可以优化校准电容步骤和校准时间，提高系统测量时间，测量电路可实现紧耦合电桥电容信号的输出和信号调理，pc上位机可以接受fpga发送的数据，并通过上位机软件显示出当前测量的电容容值，电源模块用于向系统各个部分供电，该测量装置和测量电路可以自动补偿测量电路中存在的寄生电容的影响，具有电路简单，抗干扰性强，测量范围大的特点，可以较好地应用于电容测量领域。

30、(2)本发明中，通过紧耦合电桥和可编程电容进行寄生电容的自动补偿，利用紧耦合电桥对电容进行测量，能够确定较大的测量灵敏度，同时采用adrc算法通过可编程电容ct对测量装置进行校准，可以实现板级电路寄生电容的补偿，adrc算法利用抗自扰控制，减少了校零稳态误差，加快了回零稳度与速度，极大程度优化了校准的时间，利用可编程电容ct改变测量的范围和精度。

31、(3)本发明中，测量装置具有电路简单，抗干扰性强，测量范围大的特点，可以较好地应用于电容测量领域，本发明的自补偿寄生电容的紧耦合电桥电容测量装置和测量电路，可以创新性地解决了泄露电容传感器对电容测量的影响。

技术特征：

1.一种自补偿寄生电容的电桥电容测量装置，其特征在于，包括核心控制器(1)、采集模块(2)、pi控制模块(3)、测量电路(4)、pc上位机(5)和电源模块(6)，所述采集模块(2)的输入端与测量电路(4)的输出端连接，所述采集模块(2)的输出端与fpga的io口连接；

2.根据权利要求1所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量装置，其特征在于，所述核心控制器(1)对采集模块(2)的连接，主要是通过走线连接采集模块(2)的时钟和并行数据线，所述核心控制器(1)与pc上位机(5)进行串口通信时，需要先在fpga内部构建uart通信块，然后通过fpga的io口连接pc上位机(5)。

3.根据权利要求2所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量装置，其特征在于，所述核心控制器(1)对pi控制模块(3)时序控制时，首先fpga内部构建pi控制块，然后通过fpga的io连接可编程数字电容，完成可编程数字电容的pi控制。

4.一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路，其特征在于，使用了权利要求1-3中任一项所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量装置，包括紧耦合电桥、反向器a1、可编程电容器ct、放大器a2和滤波器a3，所述紧耦合电桥包括耦合振荡器l、待测电容传感器cx、参考电容c1、电容元件和电阻元件；

5.根据权利要求4所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路，其特征在于，所述泄漏电容传感器cx的一端与参考电容c1的一端相连接，且所述泄漏电容传感器cx的另一端分别与耦合振荡器l的两端连接。

6.根据权利要求5所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路，其特征在于，所述耦合振荡器l的另一端直接相连并接地，所述反向器a1的输入端连接激励信号，且所述反向器a1的输出端连接可编程电容器ct，所述可编程电容器ct的输出端连接待测电容传感器cx，所述放大器a2的输入端连接紧耦合电桥的桥臂，所述放大器a2的输出端与滤波器a3的输入端连接，所述滤波器a3的输出端与采集模块(2)相连。

7.一种自补偿寄生电容的电桥电容测量方法，其特征在于，使用了权利要求4-6中任一项所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种自补偿寄生电容的电桥电容测量方法，其特征在于，在步骤s1中，上述操作是通过调节可编程数字电容ct实现的，具体为通过调节ct，使ct等于cx，因此测量电路(4)输出为0。

技术总结
本发明涉及电容测量技术领域，具体涉及一种自补偿寄生电容的电桥电容测量电路、装置及方法，包括核心控制器、采集模块、PI控制模块、测量电路、PC上位机和电源模块，所述采集模块的输入端与测量电路的输出端连接，所述采集模块的输出端与FPGA的IO口连接。本发明通过紧耦合电桥和可编程电容进行寄生电容的自动补偿，利用紧耦合电桥对电容进行测量，能够确定较大的测量灵敏度，同时采用ADRC算法通过可编程电容Ct对测量装置进行校准，可以实现板级电路寄生电容的补偿，ADRC算法利用抗自扰控制，减少了校零稳态误差，加快了回零稳度与速度，极大程度优化了校准时间，利用可编程电容Ct改变测量的范围和精度。

技术研发人员：马晗旭,丁瑞尧,王谋赏,冷爽,许鹏源,黄钰淋,许博睿,许博文
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31