专利名称：镜像恒流源测电容的方法
技术领域：
本发明一般涉及电容测量工作领域，更特别涉及高效率、高精确度的电容测量的领域。
背景技术：
电容测量是许多场合需要具有的功能。
在现有技术中已经使用了很多方法来实现这种功能。目前公知的有谐振法、频率法等测试电容的方法。这些方法虽然成本低廉，但是测量精度不高、测量时间长，只能用于泛泛的电容值的测量。
图1所示的为谐振法测量电容的原理电路的核心部分CX->V转换电路采用简单的有源RC反相微分和积分电路。文氏振荡器产生一固定频率的交流信号Vr，它激励CX->V转换电路，得到一个与CX成正比的交流电压V0(V1)，经二阶带通滤波器滤波，滤除固定频率以外的杂波后，再经AC/DC转换后得到与CX成正比的直流输出电压V。测量直流输出电压V，就可以计算出CX。
除此之外，还有采用电压源充电、RC电路放电，利用电压比较器和计数器来测量充电时间的方法来测量电容值。这种充放电的方法与本发明方法有类似之处，但是这种测量电容的方法依然具有精确度不高，放电时间长的缺点。而且，不同容值的电容接入的时候，放电的时间是随电容的增大而增大的。
发明概述本发明的目的在于提供一种具备高精确度、测量时间短的电容测量方法。
本发明的镜像恒流源测电容的装置及方法，包括镜像恒流源充放电模块2、电压检测模块3、控制模块4、时钟发生器1，原理框图如图2所示。
上述的镜像恒流源充放电模块2，与被测电容5的一端A相连，用于给被测电容5充、放电。
上述的电压检测模块3，输入与被测电容5的一端A相连，用于检测被测电容5A端的电压值。
上述的控制模块4，与镜像恒流源充放电模块2的控制端连接，控制充电回路的通断以及放电回路的通断；所述控制模块4还与电压检测模块3相连，获得被测电容5上的电压信息。
上述的镜像恒流源充放电模块2包括恒流源11、镜像电路13、充放电电路12、充放电开关控制电路14。
上述的恒流源11为充电电路、放电电路提供电源；上述的充放电电路12用以给被测电容5充电、放电；上述的镜像电路13使得被测电容5的充电电流I1与放电电流I2成比例关系，即I1＝K×I2，其中K为一常数；上述的充放电开关控制电路14用以控制充电电路的通断以及放电电路的通断。
控制模块4可以固定充电时间，测量电容的充电以前的电压和充电以后的电压的差值，从而计算出电容值。
控制模块4也可以固定充电的电压值，当电容上的电压达到预定值的时候，测量充电过程的时间，从而计算出电容值。
本发明与现有技术相比较有如下有益效果1.提高测量电容的精度。
2.缩短测量电容的时间，尤其是测量大容值的电容的时候，测量时间不增加。
以下是具体实施方法。
实施例1本实施例的测电容的装置及方法，包括包括镜像恒流源充放电模块24、电压检测模块23、控制模块22、一个时钟发生器21，原理框图如图3所示。
所述的镜像恒流源充放电模块24包括一个恒流源、一个充放电电路、一个镜像电路、一个充放电开关控制电路。
所述的充放电电路由两个二极管D1、D2构成，通过D1向被测电容Cx充电，为充电电路；通过D2从被测电容Cx放电，为放电电路；所述镜像电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R构成，对于本技术领域熟知的人知道，还可以有许多其他方式组成的镜像电路，此处仅举一例。其中，调节电阻R1与R2的比值就可以改变充电电流I1与放电电流I2的比值，此处，我们让R1＝R2，这样就有I1＝I2。
所述充放电开关控制电路由可控开关K1构成，在实际中可控开关K1可以是继电器，也可以是三极管等。控制器通过控制可控开关K1的控制端来控制开关K1的通断。从图3可以看出，当K1断开时，恒流源通过D1向被测电容充电，D2反向截止，关闭了放电电路；当K1闭合时，D1反向截止，关闭充电电路，通过Q1，从被测电容放电。
上述的镜像恒流源充放电模块实现了对电容的充、放电功能，且充电电流等于放电电流。
所述的电压检测模块23为一个A/D转换器，测量被测电容上的电压值，转换成数字信号，送给控制器。
所述控制模块22通过控制充放电开关控制电路，就可以实现完整的电容测量周期了。
本实施例测电容的方法如下控制模块22固定充电时间，测量电容的充电以前的电压和充电以后的电压的差值，从而计算出电容值。整个测量过程包括充电期间、放电期间。完成一个充、放电的周期就可以测出Cx的电容值。
步骤一充电期间，控制模块22控制K1打开，打开充电电路，关闭放电电路。同时控制模块开始计时。
步骤二计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模块22控制K1闭合，关闭充电电路，打开放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时被测电容上的电压值v1。
步骤三计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模块控制K1打开，打开充电电路，关闭放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时电容上的电压值v2。
重复上述的步骤二、步骤三，可以进行周期性的测量。
因为这种方法充、放电时间短，所以十分适用于对大的电容的测量。
由此，我们可以计算出电容值CxΔU＝|v2-v1|Cx＝ΔU/(充电电流I1×T)
实施例2本实施例的测电容的装置及方法，包括镜像恒流源充放电模块34、电压检测模块33、控制模块32、时钟发生器31，原理框图如图5所示。
所述的镜像恒流源充放电模块34包括一个恒流源、一个充放电电路、一个镜像电路、一个充放电开关控制电路。
所述的充放电电路由两个二极管D1、D2构成，通过D2向被测电容Cx充电，为充电电路；通过D1从被测电容Cx放电，为放电电路；所述镜像电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R构成，对于本技术领域熟知的人知道，还可以有许多其他方式组成的镜像电路，此处仅举一例。其中，调节电阻R1与R2的比值就可以改变充电电流I1与放电电流I2的比值，此处，我们让R2＝R1，这样就有I1＝I2。
所述充放电开关控制电路由可控开关K1构成，在实际中可控开关K1可以是继电器，也可以是三极管等。控制模块32通过控制可控开关K1的控制端来控制开关K1的通断。从图5可以看出，当K1断开时，恒流源通过D1从被测电容放电；当K1闭合时，通过Q1，向被测电容充电。
上述的镜像恒流源充放电模块实现了对电容的充、放电功能，且充电电流等于放电电流。
所述的电压检测模块33包括一个电压比较器CV1和一个电压比较器CV2，电压比较器CV1的一个输入与被测电容35的A端连接，另一个输入连接到固定的预置比较电压v1，当被测电容35上的电压大于等于比较电压v1时，CV1的输出电平发生变化；电压比较器CV2的一个输入与被测电容35的A端连接，另一个输入连接到固定的预置比较电压v2，当被测电容35上的电压小于等于比较电压v2时，CV2的输出电平发生变化。控制模块32通过检测CV1、CV2输出电平的变化而得知被测电容A端电压的范围。
所述控制模块32通过控制充放电开关控制电路，就可以实现完整的电容测量周期了。
本实施例测电容的方法如下控制模块32检测充电过程中，被测电容35上的电压从预置电压值v1变化到预置电压值v2的时间Δt，从而计算出被测电容值。
步骤一放电步骤。控制模块32控制K1打开，打开放电电路，关闭充电电路。电容开始放电。当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻转；步骤二当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻转，控制模块32检测到CV2输出电平的变化，控制模块32控制K1闭合，打开充电电路，关闭放电电路。电容开始充电。同时，控制模块32开始计时。
步骤三当电容上的电压大于等于比较电压v1的时候，电压比较器CV1的输出电平翻转；控制模块32检测到电压比较器CV1的输出电平翻转，停止计时，记录下计时时间Δt；控制模块控制K1打开，打开放电电路，关闭充电电路。电容开始放电。
步骤四重复步骤二、三。
比较电压器1和比较电压器2的输出波形如图6所示。这些波形被送进控制模块32中(如图6所示)，控制模块32测量比较CV1输出的波形信号的频率f，由于充电电流等于放电电流，所以充电时间等于放电时间，所以Δt＝1/f/2。
计算被测电容ΔU＝v1-v2Δt＝1/f/2
Cx＝ΔU/(充电电流I1×Δt)4.说明书
图1显示了谐振法测量电容的原理2的简化方框图显示了本发明的原理框3显示了本发明实施例1的原理框4显示了测量电容方法1的被测电容上的电压波形5显示了本发明实施例2的原理框6显示了测量电容方法2的测电容上的电压、比较电压器CV1与比较电压器CV2的波形时序图。
权利要求
1.一种镜像恒流源测电容的装置，包括被测电容5、电压检测模块3、控制模块4、时钟发生器1，其特征在于，更包括镜像恒流源充放电模块2；所述的镜像恒流源充放电模块2，包括恒流源11、镜像电路13、充放电电路12、充放电开关控制电路14；所述的镜像电路13，使得被测电容5的充电电流I1与放电电流I2成比例关系，也就是I1＝K×I2，其中K为一常数。
2.根据权利要求1的镜像恒流源测电容的装置，其特征在于所述的镜像恒流源充放电模块2，连接到被测电容5的一端A，用于给被测电容5充、放电；所述的电压检测模块3，其输入端连接到上述被测电容5的A端，其输出端连接到控制模块4，用于检测被测电容上的电压信号；所述的控制模块4，与镜像恒流源充放电模块2的控制端连接，控制充电回路的通断以及放电回路的通断；所述的时钟发生器1，输出与控制模块4连接，为控制器提供计时时钟。
3.根据权利要求1的镜像恒流源测电容的装置，其特征在于所述的恒流源11与所述的充放电电路12相连，用以提供给电容充电的电流；所述的充放电电路12与所述的被测电容5的一端A相连，用以给被测电容5充电、放电；所述的镜像电路13与所述的充放电电路12相连，用以控制充电电流与放电电流成比例关系；所述的充放电开关控制电路14的控制端与所述的控制模块4相连，用以控制被测电容5的充电回路的通断以及放电回路的通断。
4.一种镜像恒流源装置测电容的方法，其特征为以下步骤步骤一充电过程，所述的控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V1；同时控制模块打开计时器开始计时；步骤二当控制模块检测到充电计时时间T1到，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V2；同时控制模块给计时器清零，重新开始计时；步骤三控制模块根据所测的被测电容上的电压，计算出被测电容值被测电容值＝|V1V2|/(充电电流I1×充电计时时间T1)；步骤四当控制模块检测到放电计时时间T2到，控制模块控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V1；同时控制模块给计时器清零，重新开始计时；步骤五重复步骤二到四，实现周期性测量。
5.一种镜像恒流源装置测电容的方法，其特征在于，还可以包括以下步骤步骤一充电过程，所述的控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V1；同时控制模块打开计时器开始计时；步骤二当控制模块检测到充电计时时间T1到，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V2；同时控制模块给计时器清零，重新开始计时；步骤三当控制模块检测到放电计时时间T2到，控制模块控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；同时控制模块读取并保存被测电容上此时的电压V1；同时控制模块给计时器清零，重新开始计时；步骤四控制模块根据所测的被测电容上的电压，计算出被测电容值被测电容值＝|V1V2|/(放电电流I2×放电计时时间T2)；步骤五重复步骤二到四，实现周期性测量。
6.一种镜像恒流源装置测电容的方法，其特征在于，还可以包括以下步骤步骤一放电过程，所述的控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；步骤二当控制模块检测到被测电容上的电压达到了预定电压值V1，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；步骤三当控制模块检测到被测电容上的电压达到了预定电压值V2，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；步骤四控制模块检测被测电容上的电压从V1到V2的过程的充电时间T1，计算出被测电容值被测电容值＝|V1V2|/ (充电电流I1×充电时间T1)；步骤五重复步骤二到四，实现多周期测量。
7.一种镜像恒流源装置测电容的方法其特征在于，还可以包括以下步骤步骤一放电过程，所述的控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；步骤二当控制模块检测到被测电容上的电压达到了预定电压值V1，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，打开被测电容的充电电路，关闭被测电容的放电电路，开始给被测电容充电；步骤三当控制模块检测到被测电容上的电压达到了预定电压值V2，控制模块控制镜像恒流源充放电模块的充放电开关控制电路，从而控制镜像恒流源充放电模块的充放电电路，关闭被测电容的充电电路，打开被测电容的放电电路，开始给被测电容放电；步骤四控制模块检测被测电容上的电压从V2到V1的过程的放电时间T2，计算出被测电容值被测电容值＝|V1V2|/(放电电流I2×放电时间T2)；步骤五重复步骤二到四，实现多周期测量。
8.根据权利要求6的一种镜像恒流源装置测电容的方法，其特征在于所述的控制模块检测被测电容上的电压从V1到V2的过程的充电时间T1的方法包括如果被测电容上的电压从V1变化到V2的充电时间T1大于一规定时间，采用直接测量时间的方法测T1；如果被测电容上的电压从V1变化到V2的时间T1小于规定时间，采用多周期测量被测电容上的电压的频率f的方法，计算T1＝1/f/(1+K)。
全文摘要
本发明为一种镜像恒流源测电容的装置及方法，包括被测电容、镜像恒流源充放电模块、电压检测模块、控制模块、时钟发生器，其特征在于所述充放电装置包括一个恒流源、一个镜像电路、一个充放电电路一个充放电开关控制电路。被测电容的充电电流与放电电流为一对镜像电流。控制模块可以通过固定测量时间，测量不同时间点上的电容上的电压差来计算电容值；也可以通过固定电容上的电压差，测量充电时间来计算电容值，以达到更加精确、快速的测量电容的功能。
文档编号G05B19/02GK101082644SQ200710003010
公开日2007年12月5日 申请日期2007年1月30日 优先权日2007年1月30日
发明者王悦, 王铁军, 李维森 申请人:王悦, 王铁军, 李维森