CN102226823A - 一种接地电容的rc常数测量方法 - Google Patents

一种接地电容的rc常数测量方法 Download PDF

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黄伟朝
方敏
刘松艳
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Abstract

本发明公开了一种接地电容的RC常数测量方法。本发明基于接地电容为RC常数的电路结构，把RC常数转换为脉冲宽度，采用数字电路而实现的一种针对接地电容为RC常数的测量方法。本方法实现了接地电容RC常数的测量及其在电路中的校正。接地电容电路模块简单地实现了RC常数与时间常数的转换，为采用数字电路测量及校正提供条件，数字电路校正RC常数方便灵活，二进制搜索算法使校正速度得到较大地提高。该方法能较好地应用于接地电容电路结构中RC常数测量及校正。

Description

一种接地电容的RC常数测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于接地电容电路结构的RC常数测量方法，一般应用于微小电阻电容常数检测，如滤波器检测RC常数值大小并对其有效校正的电路装置。
背景技术
目前,在模拟滤波器设计中，滤波器的转角频率，它与电阻电容的乘积成反比。对特定的滤波器，其RC（电阻电容）常数应是恒定的。片上集成的滤波器一般分为有源RC（电阻电容）和                                                （跨导电容）两种结构。
Figure 103336DEST_PATH_IMAGE002
结构实现跨导时一般使用电阻，使
Figure 778031DEST_PATH_IMAGE004
。由于片上电阻电容一般会有10%～25%的偏差，影响滤波器的转角频率高达±50%。需要对滤波器的转角频率进行校正，使其偏差小于±5％，过渡带和带外抑制才能满足要求。我们一般使用开关电阻或开关电容实现滤波器频率校正，随滤波器实现的结构而不同。在有源RC 滤波器中一般使用开关电容阵列，而在
Figure 239099DEST_PATH_IMAGE002
滤波器中一般使用开关电容阵列，调节原理完全一致。因此滤波器的校正需要对RC常数作准确的测量。
RC常数的测量方法很多，对于不同RC常数结构，可采用不用的测量方法，本发明基于接地电容为RC常数的电路结构，把RC常数转换为脉冲宽度，采用数字电路而实现的一种针对接地电容为RC常数的测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路结构简单，测量方便准确，精度可控的接地电容的RC常数测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种接地电容的RC常数测量方法，包括接地电容电路模块和测量模块；
所述的接地电容电路模块作用为实现RC常数与比较器输出RCOUT时间长度（）的比例关系，电路具体工作状态转换及
Figure 123376DEST_PATH_IMAGE006
计算如下：
1) 在t0时刻，开关S1闭合，复位电路，此时，RCOUT输出为低，流过电阻R1电流为：
Figure 39696DEST_PATH_IMAGE010
，   （1）
2) 在t1时刻，开关S1断开，复位过程结束，流过电阻R1电流I通过C1，有：
，推出：，  （2）
此时电容C1充电，电压
Figure 220776DEST_PATH_IMAGE016
上升，最终导致
Figure 927176DEST_PATH_IMAGE018
，比较器输出翻转，RCOUT由低电平转为高电平，由开关S1断开到RCOUT电平变高这一过程，由（1）式与（2）式可得，时间
Figure 877815DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure 698003DEST_PATH_IMAGE020
，（3）
设固定系数为
Figure 988170DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 930719DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 306336DEST_PATH_IMAGE026
，则
Figure 726953DEST_PATH_IMAGE028
，（4）
由公式（3）可知，
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE029
与R1C1乘积成正比，对RC常数的测量转化为对
Figure 137206DEST_PATH_IMAGE029
时间常数的测量；
所述的测量模块，用于对
Figure 51252DEST_PATH_IMAGE006
时间测量,由数字电路实现，通过使用较高频率的数字时钟可以对RCOUT时间常数进行脉冲宽度计数，假设数字参考时钟为，计数值为N，所以
，（5）
测量精度由数字时钟频率决定。最后计算得出RC常数为：
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE035
，（6）。
本发明还包括RC电路校正，校正过程分为两步：初始化和搜索较正；
初始化时，送出RC常数
Figure 85680DEST_PATH_IMAGE006
测量模块电路的校正上电信号（PWR_RCTUNE）和复位开关信号（RST）。上电信号应比复位开关信号提前一定周期，以使
Figure 147177DEST_PATH_IMAGE006
测量模块电路建立。复位开关信号送出后即开始CNT计数器计数；
搜索校正时，通过公式（6）可得预设参考计数值
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE037
，通过使用较高频率的数字时钟实现测量实际N值与参考
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE039
值比较，根据比较结果并调整电容阵列，改变RC取值大小，直到使RC取值最大地接近预设的R1*C1取值。
所述的接地电容做成可调控阵列形式，电容阵列调整使用二进制搜索算法。
所述的二进制搜索算法分为 3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索；
1）初始化时，开关电容阵列的最高位置 1，其它位置 0，使其处于中间值，对接地电容电路模块输出的脉冲宽度（RCOUT）进行计数；
2）向下搜索时，对计数值进行判断，若小于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1），把下一搜索位置1；否则表明电容值偏大，当前搜索位置0，把下一搜索位置 1 后开始下一次搜索，直至最低位方向确定；
3）左右搜索时，在向下搜索过程确定的电容阵列的左右进行搜索，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置；
假设电容阵列共有 N 位，则共需 N＋2 次搜索，每次搜索时间均相同。
本发明的有益效果：本方法实现了接地电容RC常数的测量及其在电路中的校正。接地电容电路模块简单地实现了RC常数与时间常数的转换，为采用数字电路测量及校正提供条件，数字电路校正RC常数方便灵活，二进制搜索算法使校正速度得到较大地提高。
附图说明
图１是接地电容RC常数测量电路图。
图２是RCOUT（RCOUT电压）测量时序图。
图３是RC常数数字校准逻辑框图。
图４是RC常数数字校准时序图。
图5是二进制搜索算法状态转移图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
如图1所示的接地电容电路模块105，该模块作用为实现RC常数与比较器101输出RCOUT时间长度(
Figure 719421DEST_PATH_IMAGE006
)的比例关系，电路具体工作状态转换及计算如下：
1) 在t0时刻，开关S1102闭合，复位电路，此时
Figure 804368DEST_PATH_IMAGE040
，RCOUT输出为低，流过电阻R1103电流为：
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE041
，   ( 1 )
2) 在t1时刻，开关S1103断开，复位过程结束，流过电阻R1103电流I通过C1104，有：
Figure 931724DEST_PATH_IMAGE012
，推出：
Figure 2011100821550100002DEST_PATH_IMAGE043
，  ( 2 )
此时电容C1充电，电压
Figure 769230DEST_PATH_IMAGE016
上升，最终导致
Figure 335341DEST_PATH_IMAGE018
，比较器101输出翻转，RCOUT由低电平转为高电平，由开关S1101断开到RCOUT电平变高这一过程，由（1）式与（2）式可得，时间
Figure 571763DEST_PATH_IMAGE006
为：
，( 3 )
设固定系数为，，，则
Figure 189957DEST_PATH_IMAGE028
，( 4 )
由公式( 3 )可知，
Figure 798793DEST_PATH_IMAGE006
与R1C1乘积成正比，对RC常数的测量转化为对
Figure 909968DEST_PATH_IMAGE006
时间常数的测量。
如图2所示，所述的
Figure 920650DEST_PATH_IMAGE006
测量模块201，该模块用于对
Figure 763972DEST_PATH_IMAGE006
时间测量,由数字电路实现，通过使用较高频率的数字时钟可以对RCOUT时间常数进行脉冲宽度计数，假设数字参考时钟为
Figure 860104DEST_PATH_IMAGE031
，计数值为N，所以
Figure 509391DEST_PATH_IMAGE033
，( 5 )
测量精度由数字时钟频率决定，最后计算得出RC常数为：
Figure 309332DEST_PATH_IMAGE044
，（6）。
作为RC常数测量方法延伸，还包括RC电路校正方法。对于RC常数的测量，在应用中一般转换为对于RC常数的校正，所以只需改变开关电容阵列的控制位，使 RC 常数逼近一个误差可接收范围内的取值。RC常数的校正采用数字逻辑电路，RC常数数字校正模块逻辑框图如图3所示，利用RCOUT(RC测量电压输出)的脉冲宽度403，通过数字电路的方法可以很方便灵活地对RC常数进行校正，整个数字校正过程分为两步：初始化301和搜索比较302。
初始化时，送出RC常数
Figure 448190DEST_PATH_IMAGE006
测量模块电路的校正上电信号(PWR_RCTUNE)401和复位开关信号(RST)402。上电信号401应比复位开关信号402提前一定周期，接地电容电路模块首先开始工作，以使
Figure 969301DEST_PATH_IMAGE006
测量模块电路建立。复位开关信号送出后即开始CNT计数器404计数，具体电路工作时序见图4。
搜索校正302时，接地电容104做成可调控阵列形式，通过公式(6)可得预设参考计数值
Figure 219017DEST_PATH_IMAGE037
，通过使用较高频率的数字时钟实现测量实际N值与参考值比较，根据比较结果并调整电容阵列，改变RC取值大小，直到使RC取值最大地接近预设的R1*C1取值，校正误差与电容阵列位数有关，位数越大精度越高。
为了加快校正速度，减小校正周期，RC常数电容阵列调整使用二进制搜索算法实现。以3位电容阵列503为例，二进制搜索算法状态转移图如图5所示，整个搜索算法可以分为 3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索。
1) 初始化时，开关电容阵列的最高位置 1，其它位置 0，使其处于中间值。对接地电容电路模块输出的脉冲宽度(RCOUT)403进行计数。
2) 向下搜索501时，对计数值进行判断，若小于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1），把下一搜索位置1；否则表明电容值偏大，当前搜索位(置0)。把下一搜索位置 1 后开始下一次搜索。直至最低位方向确定。
3) 左右搜索502时，在向下搜索过程确定的电容阵列503的左右进行搜索，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置。
假设电容阵列共有 N 位，则共需 N＋2 此搜索，每次搜索时间均相同。
总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种接地电容的RC常数测量方法，其特征在于，包括接地电容电路模块（105）和                                                
Figure 236843DEST_PATH_IMAGE002
测量模块（201）；
所述的接地电容电路模块作用为实现RC常数与比较器（101）输出RCOUT时间长度（
Figure DEST_PATH_IMAGE003
）的比例关系，电路具体工作状态转换及
Figure 91667DEST_PATH_IMAGE003
计算如下：
1) 在t0时刻，开关S1（102）闭合，复位电路，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，RCOUT输出为低，流过电阻R1（103）电流为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，   （1）
2) 在t1时刻，开关S1（102）断开，复位过程结束，流过电阻R1（103）电流I通过C1（104），有：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，推出：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，  （2）
此时电容C1充电，电压
Figure DEST_PATH_IMAGE013
上升，最终导致
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，比较器（101）输出翻转，RCOUT由低电平转为高电平，由开关S1（101）断开到RCOUT电平变高这一过程，由（1）式与（2）式可得，时间
Figure 622136DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，（3）
设固定系数为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，，则
，（4）
由公式（3）可知，
Figure 601086DEST_PATH_IMAGE003
与R1C1乘积成正比，对RC常数的测量转化为对
Figure 415458DEST_PATH_IMAGE003
时间常数的测量；
所述的
Figure 175604DEST_PATH_IMAGE003
测量模块（201），用于对
Figure 442637DEST_PATH_IMAGE003
时间测量,由数字电路实现，通过使用较高频率的数字时钟可以对RCOUT时间常数进行脉冲宽度计数，假设数字参考时钟为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，计数值为N，所以
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，（5）
测量精度由数字时钟频率决定，最后计算得出RC常数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，（6）。
2.按照权利要求1所述的一种接地电容的RC常数测量方法，其特征在于，还包括RC电路校正，校正过程分为两步：初始化（301）和搜索较正（302）；
初始化时，送出RC常数测量模块电路的校正上电信号（PWR_RCTUNE）（401）和复位开关信号（RST）（402），上电信号（401）应比复位开关信号（402）提前一定周期，以使接地电容电路模块首先开始工作，复位开关信号送出后即开始CNT计数器（404）计数；
搜索校正时，通过公式（6）可得预设参考计数值
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，通过使用较高频率的数字时钟实现测量实际N值与参考
Figure 2011100821550100001DEST_PATH_IMAGE035
值比较，根据比较结果并调整电容阵列，改变RC取值大小，直到使RC取值最大地接近预设的R1*C1取值。
3.按照权利要求1所述的一种接地电容的RC常数测量方法，其特征在于：所述的接地电容做成可调控阵列形式，电容阵列调整使用二进制搜索算法。
4. 按照权利要求3所述的一种接地电容的RC常数测量方法，其特征在于：所述的二进制搜索算法分为 3个阶段：初始化、向下搜索、左右搜索；
1）初始化时，开关电容阵列的最高位置 1，其它位置 0，使其处于中间值，对测量模块电路输出的脉冲宽度（RCOUT）（403）进行计数；
2）向下搜索（502）时，对计数值进行判断，若小于预设值，则表明当前电容值偏小，此时当前搜索位不变（为1），把下一搜索位置1；否则表明电容值偏大，当前搜索位置0，把下一搜索位置 1 后开始下一次搜索，直至最低位方向确定；
3）左右搜索（503）时，在向下搜索过程确定的电容阵列的左右进行搜索，确定左、右、当前三个状态中计数误差最小的设置；
假设电容阵列共有 N 位，则共需 N＋2 次搜索，每次搜索时间均相同。
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