CN101799496B - 电容测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量电容的方法和装置。本装置包括四门限数字比较器、可变增益的放大器、大小可变的正负恒流源、快速模拟/数字转换器、微处理器及显示器，微处理器接受四门限数字比较器和快速模拟/数字转换器的输出信号，并输出测量结果到显示器；微处理器根据被测电容的容量选择正负恒流源和可变增益的放大器的放大倍数；通过快速模拟/数字转换器测量经过可变增益放大器放大的被测电容器上的电压，并输出测量结果到四门限数字比较器。本发明的电容测量方法，通过对被测电容的恒流正向充电和反向放电，微处理器根据正向充电和反向放电经过四门限数字比较器预定的两个门限值间的时间，以及恒流源的数值和可变增益放大器的放大倍数大小，计算并各得到一次电容值的测量结果。本发明在使用较小的充放电电流的情况下，大大减少大电容的测量时间；通过四门限数字比较器的设置，消除了电容器吸收效应对测量准确度的影响。

Description

电容测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量电容的装置和方法，特别是提供适用于一种快速准确测量电容，尤其是对大电容快速测量的方法和装置。本发明的测量电容的方法和装置，还能有效避免电容吸收效应影响。

背景技术

电容测量已成为测量仪器例如数字万用表的一个重要的特征。目前的电容测量技术令人不满意，不仅是由于等待未知电容器充电需要过长的测量时间，而且电容器的吸收效应影响测量准确度。提供新的测量方法，扩展电容的更大测量范围并能实现快速准确测量，是人们所希望的。

众所周知，流经电容器C的电流i_c与电容器上电压U_C随时间的变化率

间的关系为：

或者可表示为：

或

即，如果一个恒定的电流i_c加到被测电容C上面，经过一个时间间隔Δt后电容器上的电压变化为ΔU_C，则根据i_c、Δt、ΔU_C的值，可以知道被测电容器C的值。

依据这样的基本原理，已经提出了很多的电容测量方法，例如见参考文件1-5，分别为：

1.US 5,461,321 Apparatus and method for measuring capacitancefrom the duration of a charge-discharge charge cycle

2.US 6,191,723 Fast capacitance measurement

3.US 6,275,047 Capacitance measurement

4.US 6,624,640 Capacitance measurement

5.US 6,683,462 Apparatus for and method of measuringcapacitance with high accuracy

发明内容

本发明的目的在于提出了一种新的电容测量方法和装置，不但使得测量大电容的范围极大地扩大，测量速度大大提高，在整个测量范围内提供更高的准确度，同时还实现了对电容器吸收效应影响的消除。

本发明的目的还可以对被测电容器的测量，采用受控的、可选择不同大小、不同方向的恒定电流对被测电容器进行充电和放电。改变恒定电流的大小和可变增益放大器的放大倍数，可以使不同电容量的电容器的测量时间处于设计预定的范围内。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明的装置包括可变增益的放大器、微处理器及显示器。所述微处理器接受四门限数字比较器和快速模拟/数字转换器的输出的信号，输出测量和处理结果到所述显示器；所述微处理器根据被测电容的电容量选择正负恒流源的大小和可变增益的放大器的放大倍数，并通过所述快速模拟/数字转换器测量经可变增益的放大器放大的被测电容器上的电压值，把此电压数值连接到所述四门限数字比较器。

本发明所述的四门限数字比较器可以设定不同四个门限值组合，改变电容测量时的充、放电门限，即测量电容值所取的电压变化范围，同时也改变电容测量时的偏置电压。

本发明所述快速模拟/数字转换器把被测电容上的电压经过所述可变增益的放大器放大后快速转换成数字量，送到所述四门限数字比较器与四个预设的门限值进行数字比较，把比较结果送到微处理器进行处理。所述快速模拟/数字转换器的输出分别与四个不同的数字值进行比较，四个不同的数字值分别设定充电数字门限值V1，放电数字门限值V2作为充放电门限；在V1与V2之间设定V3和V4两个数字门限值作为测量被测电容充放电时间的区间。所述快速模拟/数字转换器测量经过可变增益放大器放大后的被测电容器上的电压，输出测量结果给所述四门限数字比较器，所述四门限数字比较器把比较结果送所述微处理器进行处理，所述微处理器在放电达到V1和充电达到V2两个数字门限值时改变恒流源的方向从而实现在充、放电之间转换；所述微处理器对充电或放电处于V3和V4两个数字门限值间的时间间隔进行测量，计算出被测电容的容量大小，并进行显示。

本发明所述正负恒流源受所述微处理器的控制输出不同大小、方向的恒定电流。

本发明的电容测量方法，在测量开始阶段，可以自动快速选择电容测量量程，根据被测电容的电容量选择所述正负恒流源的大小和所述可变增益的放大器的放大倍数；所述可变增益的放大器和正负恒流源的组合改变和确定测量电容的量程；所述微处理器对所述四门限数字比较器设置充、放电的门限值V1和V2，改变电容测量时充电和放电的电压门限值和偏置电压值；所述快速模拟/数字转换器向所述四门限数字比较器和所述微处理器提供测量经可变增益的放大器放大的电容上电压的数据；通过对被测电容的恒流正向充电和反向放电，所述微处理器根据正向充电和反向放电经过四门限数字比较器预定的两个门限值V3和V4间的时间，以及恒流源的数值大小，计算并各得到一次电容值的测量结果。

本发明所述微处理器设定所述的四门限数字比较器的四个门限值组合，改变电容测量时的充、放电门限，以及实际测量电容值所取的充、放电电压变化区间。改变电容测量时的充、放电门限的同时，也改变了电容测量时的偏置电压。所述的快速模拟/数字转换器把经过所述可变增益的放大器放大后的被测电容上的电压快速转换成数字量，送到四门限数字比较器与四个预设的门限进行数字比较，把比较结果送到微处理器进行处理。所述可变增益的放大器把电容上的电压放大到快速模拟/数字转换器测量的范围。

本发明在使用较小的充放电电流的情况下，配合低噪声可变增益放大器的放大作用，可以使测量大电容时呈现的较小的充、放电电压放大，以适合快速模拟/数字转换器的工作范围和四门限数字比较器的工作范围；在较小的充放电电流的情况下，可以大大缩短大电容测量的时间，例如使测量1法拉的大电容的时间缩短到只需要用0.5秒，甚至于把测量10法拉的电容的测量时间也可以缩短到1秒。这是前所未见的速度。利用快速模拟/数字转换器和四门限数字比较器可以在充电和放电时段各获得一次电容量测量的结果，进一步提高了测量速度。

本发明设置的四门限数字比较器，可以使快速模拟/数字转换器的输出分别与四个不同的数字值进行比较，这四个不同的数字值可以根据测量的需要进行设定。分别设定充电数字门限值V1，放电数字门限值V2作为充放电门限；在V1与V2之间设置V3和V4两个数字门限值作为测量被测电容充放电时间的区间，使V3和V4两个数字门限值的选择避开电容吸收效应影响的范围。

本发明中快速模拟/数字转换器测量经过可变增益放大器放大后的被测电容器上的电压数值，提供给四门限数字比较器，比较结果送微处理器进行处理，微处理器决定充、放电的改变时刻，以及对充电或放电处于V3和V4两个数字门限值间的时间间隔进行测量，根据所用的充、放电的电流和这些时间间隔的大小，可以计算出被测电容的容量大小，并显示。

本发明在电容测量的起始阶段，用快速模拟/数字转换器快速测量，得到很短时间间隔内电容上的电压变化值，为微处理器选定合适的充、放电电流和可变增益的放大器的放大倍数提供依据，从而实现快速自动量程选择。

使用取样电阻和模拟/数字转换器对充放电电流进行测量，可以更精确地得到充放电电流的准确值，使电容测量计算结果更准确。

微处理器的作用为：

1)接受AD转换器的输出数据，判别和选择合适的电容测量量程；

2)接受AD转换器的输出数据，也可以接受四门限比较器比较的结果，在分析这些数据和结果后，决定和控制正负恒流源的大小和方向；

3)决定和控制放大器的放大倍数；

4)根据需要调整四门限的门限值；

5)对电容充电电压经过V3和V4两个门限之间的时间T+、以及对电容放电电压经过V4和V3两个门限之间的时间T-进行测量；

6)根据测量时所使用的恒流源的大小和T+、T-值计算出被测电容器的电容量；

7)输出被测电容器的电容量的数值和单位到显示器显示。

本发明与现有技术相比，提供了对电容测量更快速、更准确的方法，也极大地扩展了大电容快速测量的范围，并且在测量过程中消除吸收效应的影响。对于量程的选择，本发明也提供了更快捷的自动量程选择方法。

附图说明

图1是本发明的基本结构方框图。

图2是本发明使用恒定的电流对理想电容器充放电时电容器上电压的变化图。

图3是本发明使用恒定的电流对实际有吸收效应影响的电容器充放电的电压变化示意图。

图4是本发明设置四门限数字比较器的情况图。

图5是本发明设置四个数字比较门限值后测量在门限值V3、V4间充、放电时间的示意图。

图6为本发明中，设置V1＝50mV，V2＝550mV，V3＝100mV，V4＝500mV四个门限的波形示意图。

图7为本发明中，设置V3＝100mV，V4＝500mV时，微处理器需要对处于100mV，500mV之间的时间间隔T+、T-进行测量的典型示意图。

图8为本发明在电容测量起始阶段进行自动量程检测、改变量程的示意波形图；

图9为本发明改变四门限数字比较器的门限值的情况。

具体实施方式

下面将结合附图为例对发明作进一详细描述。参见图1，图中主要包含了恒流值大小和方向可选择改变的正、负恒流源I+、I-；增益可选择改变的低噪声放大器A1；快速模拟/数字转换器AD1；四门限数字比较器；微处理器μP及显示器。以及取样电阻R0和模拟/数字转换器AD2。

参见图2，理想(无吸收效应)电容器在使用正、负相等的恒流源充、放电时的典型波形图，V1为放电门限值、V2为充电门限值。假设电容器没有吸收效应。可以看到电容器上的电压在充、放电门限V1和V2间完全线性地变化，如从V1充电到V2的时间为T，

其斜率

与充、放电电流i_c成正比，与被测电容的电容量C成反比，因此被测电容器的电容量可以通过恒流电流值和测量充、放电电压波形的斜率计算得到。

参见图3，实际电容器尤其是大电容器在使用正、负相等的恒流源充、放电时往往出现的典型波形图，由于电容器的吸收效应使充、放电波形发生了变化，如果仍然按照图2的理想电容器的方式计算电容值，显然会发生偏差。通常的电容测量方法没有考虑电容器的吸收效应的影响，而事实上电容测量中往往吸收效应影响比较大。

参见图4，V1为放电门限值、V2为充电门限值，在本发明中增加了V3、V4两个门限值，设置V3、V4两个门限值之间的区间避开吸收效应影响的影响；

参见图5，需要测量的V3、V4两个门限值之间的充、放电时间间隔T+、T-。本发明设置的四门限数字比较器，不但解决通常电容测量方法中使用模拟比较器决定充、放电门限值稳定性差、不易改变、存在磁滞效应等缺点，而且由于新的两个门限值V3、V4的引入，使得测量可以避开吸收效应影响的区域，只测量充、放电电压的线性段的斜率成为可能。

一次电容测量的开始，经过放电的被测电容器C_x被接入到测量电路，由于经过放电的被测电容器C_x上的电压趋近于0，微处理器将控制正向恒流源以一个较小的测试电流向被测电容器C_x进行充电，这是由于在被测电容器C_x接入前这里处于开路状态，或者可以看作接了一个非常小的电容；正向恒流源接入后被测电容器C_x上的电压开始上升(参见图8)，此电压经过可变增益放大器放大后送到快速模拟/数字转换器AD1进行测量转换成数字量；测量、计算从充电开始后经过某一时间间隔后(例如1mS)的电压变化值(例如得到值VX1)，根据所用的充电恒流电源值和电压变化值，微处理器可以计算出被测电容C_x的大致容量，并选择改用大小更合适的正向恒流电流向被测电容器C_x充电，然后可以测量并得到再经过某一时间间隔后(例如1mS)时被测电容器上的电压值(例如VX2)，根据这时间间隔内被测电容器C_x上电压值的变化大小(VX2-VX1)，可以知道选择的恒流源的数值是否恰当，是否需要再做调整；当选择的恒流源的数值已经是最大值还觉得被测电容器C_x上电压值在1mS内的变化率太小，则增加可变增益放大器的放大倍数到10倍、100倍或1000倍；适当的安排充电和放电电流及放大器的放大倍数，将使大部分被测电容器测量时间处在设计预定的范围内(例如100mS～1S)。

正向恒流充电电流将使被测电容器上的充电电压继续随时间线性上升，从零电压开始，被测电容器上的充电电压经过可变增益放大器放大后上升经过门限值V1，然后到达门限值V3(参见图4、图5)，这时快速模拟/数字转换器AD1的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器内部的时间计数器开始计时；充电电压到达门限值V4时，快速模拟/数字转换器AD1的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器内部的时间计数器停止计时，得到时间值T₊。

正向充电电流将使被测电容器上的充电电压继续上升，当被测电容器上的充电电压经过可变增益放大器放大后达到门限值V2时，快速模拟/数字转换器AD1的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器控制可变恒流源输出与原正向恒流充电电流大小相同、方向相反的负向恒流放电电流，被测电容器开始反向放电。

由于吸收效应，反向放电时电容器上的电压出现一段与吸收效应相关的区域，然后才按照负向恒流放电电流大小和被测电容值大小决定的斜率线性下降。

当被测电容器上的放电电压经过可变增益放大器放大后下降经过门限值V4，这时快速模拟/数字转换器AD2的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器内部的时间计数器开始计时；放电电压到达门限值V3时，快速模拟/数字转换器AD1的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器内部的时间计数器停止计时，得到时间值T-。

根据可变增益放大器的放大倍数、正向恒流充电电流的数值I₊和反向恒流充放电电流的数值I-，以及间值T₊和T-，可以计算得出被测电容的电容值的两次测量结果：

或

如果可变增益放大器的放大倍数不是1，则上述结果需要乘上可变增益放大器的放大倍数。

反向放电电流将使被测电容器上的电压继续上下降，当被测电容器上的放电电压经过可变增益放大器放大后达到门限值V1时，快速模拟/数字转换器AD1的输出与四门限数字比较器比较的结果，使微处理器控制可变恒流源输出与负向恒流放电电流大小相同、方向相反的正向恒流充电电流，被测电容器开始正向充电，同样由于吸收效应的影响，电容器上的电压出现一段吸收效应相关的区域，然后才按照正向恒流放充电电流大小和被测电容值大小决定的斜率线性上升，开始第二个测量循环。

如果需要，在正向充电电流和负向放电电流相互切换时，微处理器可以根据前一次测量的结果，改变电流的大小，以使测量的时间处在设计预定的范围内，这也可以看作是量程调整。

作为具体说明，例如选取四门限数字比较器的门限值为V1＝50mV；V2＝550mV；V3＝100mV；V4＝500mV；参见图6。这时要测量的时间间隔T₊、T-参见图7。

对于不同容量大小的电容，典型的充、放电电流及得到一次测量结果所要的时间见下表：

表1不同电流在不同电容量的电容上充、放电，AD转换器输入端上呈现500mV变化所需时间(mS)

根据表1，设计的大部分电容的测量时间安排在100mS～1S范围内，由于把充、放电恒流电流限定在1000μA(1mA)以下，对于超过1mF的大电容，要达到充、放电电压500mV变化的时间会变得越来越长。本发明中专门引入了低噪声可变增益放大器，其放大倍数可以通过微处理器控制改变，可以选取1倍、10倍、100倍或1000倍的放大倍数。对于小电容测量，放大器的放大倍数是1倍；对于1mF以上的大电容，把电容上的充、放电电压经过不同的放大倍数放大后送到快速模拟/数字转换器AD1测量，把测量结果再送到四门限数字比较器比较。

例如，对于100mF的大电容，在充、放电电流为1000μA(1mA)时，其上的充、放电电压经过100倍放大后，呈现在模拟/数字转换器AD1输入端的电压变化500mV所需时间为500mS；对于高达1F的大电容，在充、放电电流为1000μA(1mA)时，其上的充、放电电压经过1000倍放大后，呈现在模拟/数字转换器AD1输入端的电压变化500mV所需时间也仅为500mS。

也就是说，对于高达1F的大电容，其测量的速度大约在500mS左右；甚至对于高达10F的大电容，其测量的速度大约也仅在5S左右。这大大超越了目前其它方法的测量范围和测量速度。

如果还要追求更快的速度，对于1F以上的大电容，还可以再采用改变四门限数字比较器门限值的方法进一步提高测量速度，例如见图9，把四个门限值调整到V1＝10mV；V2＝110mV；V3＝20mV；V4＝100mV。则对10F大电容的测量时间可望进一步减少到1秒。

毫无疑问，此发明的方法也只有在现代高速模拟/数字转换技术发展的基础上，例如利用转换速度高达1μS或10μS的∑-Δ转换器，才有可能提出并得到实施，以前的电容测量方法是无法提出这样的方法并得到实施的。

由于采用了恒流充、放电的方式，并且结合四门限数字比较器的作用，本发明从小电容的测量到很大电容的测量都能做到快速、准确。

在本发明的图1中，R0是取样电阻，AD2是模拟/数字转换器，如有必要，可以设立并通过这部分测量电路，获得更准确的充放电电流的实际数值，减少恒流电流源可能出现的随温度和时间变化造成的测量误差。对于不同的电流测量，取样电阻的数值，也可以由微处理器控制和选择。如果受控可变恒流源的输出具有足够高的准确度，R0取样电阻和AD2模拟/数字转换器可以不用。

作为具体例子，描述对某一容量例如150,000μF(0.15F)的电容器的测量过程。

当被测电容器接入按本发明的方法构成的装置的测量输入端和信号地之间前，由于输入端和信号地之间原来处于开路状态，相当于只连接了一个很小的电容，根据表1，恒流源将输出最小的充放电电流0.01μA，放大器A1处于放大倍数为1的状态，充放电电流在输入端引起快速的电压上升，经过50mV、100mV、500mV达到550mV；然后反向放电经过500mV、100mV回到50mV；在充放电门限50mV和550mV间来回摆动，形成一个三角波。在充电100mV到500mV之间的区间，以及放电从500mV到100mV的区间，微处理器进行计数，由于充放电时间很短，微处理器计数得到的数值很小，当小于一定的数值时，微处理器会把它处理为0，并在显示器上显示电容量为0。

当经过放电的电容量150,000μF的被测电容器接入时，这时测量输入端和信号地之间的电压接近于0V，放大倍数为1的低噪声放大器的输出也接近于0V，AD1模拟/数字转换器测量得到接近于0V的结果，当微处理器接收到AD1模拟/数字转换器测量得到的结果小于50mV时，使正向恒流源以最小的0.01μA向被测电容充电，随着时间推移，AD1模拟/数字转换器不断地进行测量，并把经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减，得到被测电容器上的电压变化量的数值。

根据表1，对较大电容量的被测电容器测量，通常考虑AD1模拟/数字转换器输出电压读数的变化率在每毫秒500μV～5mV之间。

对于所说的150,000μF电容器的测量，用0.01μA向被测电容充电，在1mS后的电压变化量远远小于500μV，微处理器根据AD1模拟/数字转换器输出结果，改使正向恒流源以较大的0.05μA向被测电容充电，并把经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减，会发现电压变化量还是小于500μV；微处理器控制正向恒流源以更大的0.5μA向被测电容充电，并把经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减……，直至微处理器控制正向恒流源以最大的1mA向被测电容充电，并把经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减，发现电压变化量还是远小于500μV；这时微处理器在保持正向恒流源以最大的1mA向被测电容充电的同时，控制低噪声放大器A1的放大倍数由1倍提高到10倍，并把经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减，发现电压变化量还是远小于500μV；微处理器在保持正向恒流源以最大的1mA向被测电容充电的同时，控制低噪声放大器A1的放大倍数由10倍提高到100倍，经过1mS后的测量结果与1mS前的测量结果相减，发现电压变化量有660μV，超过500μV并小于5mV，微处理器固定充放电电流在1mA、A1的放大倍数为100倍，完成自动量程选择，进入正常测量状态。被测的150,000μF大小的电容器在正负1mA的恒流源作用下反复充、放电，其上面的电压在0.5mV与5.5mV间变化，可变增益放大器A1的输出在50mV与550mV间变化，每0.75S完成一次测量。实际上，根据表1，按照本发明，测量2,000,000μF大小的电容器(2F)也只需要2S，而在对比文件中，50,000μF电容测量大约需要2.5秒，而且不能对吸收效应进行消除。因此按本发明构造的测量装置和方法的性能，与现有的测量装置和方法相比，不但对大电容测量具有非常快速的先进性，而且通过对吸收效应进行消除，具有更高的准确性。

Claims (9)

1.一种电容测量装置，包括可变增益的放大器、微处理器及显示器，其特征在于所述微处理器接收四门限数字比较器和快速模拟/数字转换器的输出信号，并输出经处理的测量结果到所述显示器；所述微处理器根据被测电容的容量选择正负恒流源大小和所述可变增益的放大器的放大倍数，并通过所述快速模拟/数字转换器测量经所述可变增益的放大器放大的被测电容上的电压；所述快速模拟/数字转换器的测量结果输出到所述四门限数字比较器；所述快速模拟/数字转换器的输出分别与四个不同的数字值进行比较，所述四个不同的数字值分别设定充电数字门限值V1，放电数字门限值V2作为充放电门限；在V1与V2之间设置V3和V4两个数字门限值作为测量被测电容充放电时间的区间，以消除电容器吸收效应对电容测量带来的影响。

2.根据权利要求1所述的电容测量装置，其特征在于所述微处理器设定所述的四门限数字比较器设定四个门限值组合，改变电容测量时的充、放电门限，以改变测量电容值所取的电压变化范围，同时也改变电容测量时的偏置电压。

3.根据权利要求1或2所述的电容测量装置，其特征在于所述快速模拟/数字转换器把经过所述可变增益的放大器放大后的被测电容上的电压快速转换成数字量，送到所述四门限数字比较器与四个预设的门限进行数字比较，把比较结果送到微处理器进行处理。

4.根据权利要求3所述的电容测量装置，其特征在于所述快速模拟/数字转换器把经过所述可变增益放大器放大后的被测电容上的电压数值，提供给所述四门限数字比较器与四个门限值进行比较，比较结果送所述微处理器进行处理；当放电电压小于V1数字门限值时，所述微处理器控制恒流源变为正向恒流源向被测电容充电；当充电电压大于V2数字门限值时，所述微处理器控制恒流源变为负向恒流源使被测电容放电；所述微处理器对充电或放电处于V3和V4两个数字门限值间的时间间隔进行测量，计算出被测电容的容量大小，并进行显示。

5.根据权利要求1所述的电容测量装置，其特征在于所述正负恒流源受所述微处理器的控制输出不同大小和方向的恒定电流。

6.根据权利要求1所述的电容测量装置，其特征在于在测量开始阶段，利用对电容上的电压变化情况的快速测量，快速自动选择电容测量量程，通过改变所述正负恒流源的大小和所述可变增益的放大器的放大倍数来改变电容测量量程。

7.根据权利要求6所述的电容测量装置，其特征在于所述微处理器能够改变四门限数字比较器的四个门限值设置，改变电容测量时充电和放电的门限值V1、V2以及实际测量电容量的门限值V3、V4，以获得适当的测量偏置电压、充放电范围和更好的吸收效应消除效果。

8.根据权利要求6所述的电容测量装置，通过对被测电容的恒流正向充电和反向放电，所述微处理器根据正向充电和反向放电经过所述四门限数字比较器预定的两个门限值V3、V4之间的时间，以及所述正负恒流源的数值大小，计算并各得到一次电容值的测量结果，加快了测量速度。

9.根据权利要求6所述的电容测量装置，其特征在于所述可变增益的放大器把电容上的电压放大到适合快速模拟/数字转换器测量的范围。

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