CN103176053A - 电容容量及其寄生电阻测量电路 - Google Patents

电容容量及其寄生电阻测量电路 Download PDF

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Abstract

一种电容容量及其寄生电阻测量电路，包括电压转换电路；充电电路对待测电容充电；放电及采样电路接收电压转换电路的输出电压，控制待测电容放电并侦测其电压及放电电阻的电压；控制电路包括具有计时器的微处理器，微处理器接收充电电路输出的控制信号控制停止充电并输出放电控制信号控制待测电容放电，还控制放电及采样电路获取待测电容的放电时间并根据放电时间及放电电阻的电阻值计算得到待测电容的容量，微处理器还控制放电及采样电路侦测待测电容待测电容及放电电阻的电压并根据获得的电压及放电电阻的电阻值得到待测电容的寄生电阻值。所述电容容量及其寄生电阻测量电路测量准确。

Description

电容容量及其寄生电阻测量电路
技术领域
本发明涉及一种电容容量及其寄生电阻测量电路，特别涉及一种用于测量超级电容容量及其寄生电阻的测量电路。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子设备对其内部元件的精度要求也越来越高，因此一些电子元件在使用前，经常需要对其参数进行测量。电容作为无源器件，在电路中具有储能、滤波、去耦等作用，在很多电子产品中，电容都是必不可少的电子元件，电容的容量及其寄生电阻是电容元件的重要参数，传统的测量方法是用电桥法测量，然而电桥法只适合对小容量的电容进行测量，当测量大容量的电容时，会产生较大的误差，将测量值误差较大的电容用在电子设备中，会影响电子设备的性能。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可以准确测量电容容量及其寄生电阻的电路。
一种电容容量及其寄生电阻测量电路，包括：
一电压转换电路，用于接收一电压并将接收到的电压转换后输出；
一充电电路，用于对所述待测电容进行充电，并在所述待测电容充满电时输出一停止充电信号；
一放电及采样电路，包括一放电电阻，所述放电及采样电路接收所述电压转换电路的输出电压，并对一待测电容的放电过程进行控制以及侦测所述待测电容的电压及所述放电电阻的电压；
一控制电路，包括一具有内部计时器的微处理器，所述微处理器在待测电容充满电时接收充电电路输出的停止充电信号并根据所述停止充电信号控制所述充电电路停止对所述待测电容充电并输出一放电控制信号通过所述放电及采样电路控制所述待测电容放电，所述微处理器通过所述计时器及所述放电及采样电路获取所述待测电容从充满电至放电至零伏电压的放电时间并根据所述待测电容的放电时间及所述放电电阻的电阻值计算得到所述待测电容的容量；所述微处理器还控制所述放电及采样电路侦测所述待测电容充满电时的电压及侦测所述待测电容放电过程中任一时刻所述待测电容及放电电阻的电压以根据获得的该时刻的电压值及所述放电电阻的电阻值得到所述待测电容的寄生电阻值。
相较现有技术，所述电容容量及其寄生电阻测量电路通过所述控制电路控制所述充电电路对所述待测电容进行充电及通过控制所述放电及采样电路使所述待测电容放电，并通过所述放电及采样电路获取待测电容的电压及放电电阻的电压，以此来测量得到所述待测电容的电容容量及其寄生电阻值。所述电容容量及其寄生电阻测量电路测量准确。
附图说明
图1为本发明电容容量及其寄生电阻测量电路的较佳实施方式的框图。
图2至图5为本发明电容容量及其寄生电阻测量电路的较佳实施方式的电路图。
主要元件符号说明
电压转换电路 100
充电电路 200
放电及采样电路 300
控制电路 400
指令输入单元 10
显示单元 20
待测电容 30
电容 C1-22
电阻 R1-20
电源转换芯片 U1
电感 L1、L2
发光二极管 D1
充电芯片 U2
场效应管 Q1、Q2
开关 SW1
放电电阻 R0
模数转换芯片 U3
采样芯片 U4
稳压管 Z1
微处理器 U5
晶体振荡器 Y1
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参考图1至图5，本发明电容容量及其寄生电阻测量电路用于测量一待测电容30的容量及其寄生电容，其较佳实施方式包括一指令输入单元10、一显示单元20、一电压转换电路100、一充电电路200、一放电及采样电路300及一控制电路400。所述电压转换电路100接收一电压并将其转换后提供给所述放电及采样电路300。所述充电电路200对所述待测电容30进行充电，所述放电及采样电路300包括一放电电阻R0，所述放电及采样电路300控制对所述待测电容30进行放电并侦测所述待测电容30的电压及所述放电电阻R0的电压。所述控制电路400包括一具有内部计时器的微处理器U5，所述微处理器U5接收充电电路200输出的一停止充电信号并根据所述停止充电信号控制所述充电电路200停止对所述待测电容30充电并输出一放电控制信号通过所述放电及采样电路300控制所述待测电容30放电，所述微处理器U5通过所述计时器及所述放电及采样电路300获取所述待测电容30的放电时间并根据所述待测电容30放电的时间及所述放电电阻R0的电阻值计算得到所述待测电容30的容量，所述微处理器U5还控制所述放电及采样电路300侦测所述待测电容30充满电时的电压及侦测所述待测电容30放电过程中任一时刻所述待测电容30及放电电阻R0的电压以根据获得的该时刻的电压值及所述放电电阻R0的电阻值得到所述待测电容30的寄生电阻值。在本实施方式中，所述指令输入单元10为一设置有按键的键盘，通过按下按键即可实现指令的输入。所述显示单元20为一液晶显示屏。所述待测电容30为一超级电容。
所述电压转换电路100包括电容C1-C5、电阻R1-R4、电源转换芯片U1、电感L1及一电压输出端Vout。所述电源转换芯片U1的两输入引脚IN1及IN2相连并经所述电感L1连接一电压源P5V，所述电阻R1及R2连接在所述电压源P5V与地之间，所述电源转换芯片U1的I/O引脚EN连接在所述电阻R1与R2之间的节点，所述电容C1连接在所述电源转换芯片U1的输入引脚IN1与地之间。所述电源转换芯片U1的I/O引脚PG连接所述控制电路400，其I/O引脚BIAS连接输入引脚IN1且经所述电容C2接地。所述电源转换芯片U1的两输出引脚OUT1及OUT2相连并连接所述电压输出端Vout，所述电容C4及C5分别连接在所述电压输出端Vout与地之间，所述电阻R3及R4依次串接在所述电源转换芯片U1的输出引脚OUT2与地之间，所述电源转换芯片U1的I/O引脚FB连接在所述电阻R3与R4之间的节点，其I/O引脚SS经所述电容C3接地，其接地引脚GND及EPAD均接地。
所述充电电路200包括一场效应管Q1、一开关SW1、电容C6-C10、电阻R5-R8、发光二极管D1及充电芯片U2。所述充电芯片U2的输入引脚VIN经所述开关SW1连接所述电压源P5V，所述发光二极管D1的阳极连接所述充电芯片U2的输入引脚VIN，其阴极经所述电阻R5接地，所述电容C6及C7分别连接在所述充电芯片U2的输入引脚VIN与地之间。所述场效应管Q1的漏极连接所述充电芯片U2的I/O引脚SHDN及经所述电阻R6连接所述充电芯片U2的输入引脚VIN，其源极接地，其栅极连接所述控制电路400。所述电容C8连接在所述充电芯片U2的I/O引脚C+与C-之间，所述充电芯片U2的I/O引脚PGOOD连接所述控制电路400，其接地引脚EPAD及GND均接地，其输出引脚COUT连接所述待测电容30。所述电容C9及C10分别连接在所述充电芯片U2的输出引脚COUT与地之间，所述充电芯片U2的I/O引脚PROG经所述电阻R8接地，其I/O引脚VSEL连接所述电压源P5V且经所述电阻R7接地。
所述放电及采样电路300还包括场效应管Q2、模数转换芯片U3、采样芯片U4、电容C11-C14及电阻R9-R13。所述电容C11及所述电阻R11依序连接在所述模数转换芯片U3的I/O引脚CLK_IN及CLK_R之间，所述模数转换芯片U3的I/O引脚CS连接所述控制电路400，其输入引脚Vin+经所述电阻R13连接所述待测电容30的第一端，其输入引脚Vin-经所述电阻R12连接所述待测电容30的第二端。所述模数转换芯片U3的两接地引脚AGND及DGND相连并依次经所述电阻R10及R9连接所述电压源P5V及直接接地。所述模数转换芯片U3的I/O引脚Vref连接在所述电阻R9与R10之间的节点，其电压引脚Vcc连接所述电压源P5V，其I/O引脚DB0-DB7连接所述控制电路400。所述电容C12连接在所述模数转换芯片U3的输入引脚Vin+与地之间，所述电容C13连接在所述模数转换芯片U3的输入引脚Vin-与地之间。所述场效应管Q2的漏极经所述放电电阻R0连接所述待测电容30的第一端，其源极连接所述待测电容30的第二端并接地，其栅极连接所述控制电路400。所述电容C14连接在所述场效应管Q2的漏极与源极之间。所述采样芯片U4的两输入引脚VIN+及VIN-分别连接在所述放电电阻R0的两端，其电压引脚Vs连接所述电压转换电路100的电压输出端Vout，其I/O引脚SCL及SDA连接所述控制电路400，其I/O引脚A0连接所述I/O引脚SDA，其接地引脚GND及A1均接地。
所述控制电路400还包括电容C15-C22、电阻R14-R20、晶体振荡器Y1、稳压管Z1及电感L2。在本实施方式中，所述微处理器U5为一单片机。所述微处理器U5的I/O引脚PB0-PB7分别对应连接所述放电及采样电路300中的模数转换芯片U3的I/O引脚DB0-DB7，其I/O引脚PA0-PA3分别经所述电阻R16-R19连接所述电压源P5V，其电压引脚VCC连接所述电压源P5V，其接地引脚GND接地，其I/O引脚PD0连接所述指令输入单元10，其I/O引脚PD5连接所述放电及采样电路300的模数转换芯片U3的I/O引脚CS。所述微处理器U5的I/O引脚PC7连接所述显示单元20，其I/O引脚PC1及PC0分别对应连接所述放电及采样电路300的采样芯片U4的I/O引脚SDA及SCL。所述微处理器U5的复位引脚RESET经所述电阻R15连接所述电压源P5V及经所述电容C16接地，所述电容C15连接在所述电压源P5V与地之间。所述微处理器U5的时钟引脚XTAL2经所述电容C17接地，其时钟引脚XTAL1经所述电容C18接地，所述晶体振荡器Y1连接在所述微处理器U5的时钟引脚XTAL2与XTAL1之间。所述微处理器U5的参考电压引脚AREF连接所述稳压管Z1的控制端，所述稳压管Z1的阴极经所述电阻R20连接所述电压源P5V，其阳极接地，所述电容C21连接所述稳压管Z1的控制端与地之间，所述电容C22与电容C21并联连接。所述稳压管Z1的控制端还与其阴极相连。所述微处理器U5的模拟电压引脚AVCC经所述电感L2连接所述电压源P5V，所述电容C19连接在所述微处理器U5的模拟电压引脚AVCC与地之间。所述电容C20与电容C19并联连接。所述微处理器U5的I/O引脚PA3连接所述电压转换电路100的电源转换芯片U1的I/O引脚PG，所述微处理器U5的I/O引脚PA2连接所述放电及采样电路300的场效应管Q2的栅极，所述微处理器U5的I/O引脚PA1连接所述充电电路200的场效应管Q1的栅极，所述微处理器U5的I/O引脚PA0连接所述充电电路200的充电芯片U2的I/O引脚PGOOD。
使用时，所述电压转换电路100将从所述电压源P5V接收到的5V电压转换为3.3V后通过所述电压输出端Vout提供给所述放电及采样电路300，此时所述微处理器U5的I/O引脚PA1输出一低电平信号给所述场效应管Q1以使其截止。接通开关SW1后，所述5V电压提供给所述充电芯片U2，以使其对所述待测电容30进行充电，同时所述发光二极管D1发光以指示5V电压正常。当所述待测电容30充满时，所述充电芯片U2的I/O引脚PGOOD输出一控制信号给所述微处理器U5的I/O引脚PA0，以使所述微处理器U5的I/O引脚PA1输出一高电平信号给所述场效应管Q1，使其导通，此时，所述5V电压将通过所述电阻R6及所述场效应管Q1形成回路，从而阻止所述5V电压提供给所述充电芯片U2以继续为所述待测电容30充电。此时所述模数转换芯片U3通过其输入引脚Vin+及Vin-侦测到所述待测电容30的饱和电压，如5V，并将其转换为数字信号后输出给所述微处理器U5，所述微处理器U5处理之后通过所述显示单元20将其进行显示。
同时，所述微处理器U5通过其I/O引脚PA2输出一高电平信号给所述场效应管Q2使其导通，从而所述待测电容30、所述放电电阻R0及所述场效应管Q2形成放电回路，以使所述待测电容30进行放电，此时所述微处理器U5内部计数器开始计时，当所述微处理器U5通过所述模数转换芯片U3获得所述待测电容30上的电压为零时，所述微处理器U5内部的计时器停止计时并获得所述待测电容30的放电时间，并通过所述显示单元20显示所述放电时间。由电容放电公式τ=R×C，τ为放电时间，单位为秒，R为放电电阻R0的阻值，单位为欧姆，C为待测电容30的容量，单位为法拉，因此，在所述放电时间τ及所述电阻R已知的情况下即可根据上述电容放电公式得到所述待测电容30的容量C=τ/R。
例如，当所述待测电容30的饱和电压为5V时所述微处理器U5控制所述待测电容30进行放电，所述微处理器U5的内部计时器开始计时，当所述微处理器U5通过所述模数转换芯片U3获得所述待测电容30上的电压为零时所述微处理器U5的内部计时器结束计时并获得一放电时间τ，如τ=1.83秒，也就是说，所述微处理器U5的内部计时器得到所述待测电容30的放电时间为τ，而且所述放电电阻R0的电阻值R已知，如R=2.2欧姆，因此，所述待测电容30的容量C =τ/R=1.83/2.2=0.83法拉。从而测量得到了所述待测电容30的容量。
当需要获得所述待测电容30的寄生电阻时，可以在对待测电容30进行测试过程中通过所述指令输入单元10输入采样结束信号给所述微处理器U5，以使所述微处理器U5通过所述模数转换芯片U3获得任一时刻待测电容30的电压及通过所述采样芯片U4获得任一时刻放电电阻R0两端的电压降。由所述待测电容30的寄生电阻值R30=Drop/I30，其中Drop为所述待测电容30的饱和电压与采样结束时获得的所述待测电容30的电压之差，单位为伏特，I30为流过所述待测电容30的电流，单位为安培。由于所述待测电容30放电时其寄生电阻与所述放电电阻R0串联，也就是说流过所述放电电阻R0的电流值即为流过所述待测电容30的电流值。其中，流过所述放电电阻R0的电流IR0=△VR0/R，△VR0为所述放电电阻R0两端的电压降，R为所述放电电阻R0的电阻值。
例如，通过所述采样芯片U4获取采样结束时所述放电电阻R0两端的电压降△VR0=4.28V，所述放电电阻R0的电阻值R=2.2欧姆，则流过所述放电电阻R0的电流IR0=4.28/2.2=1.95安培，也就是说流过所述待测电容30的电流I30=1.95安培。通过所述模数转换芯片U3获得所述待测电容30的饱和电压VCAP=5V及获得采样结束时的电压值（比如所述待测电容30放电50us后的电压VCAP1=3.6V），则可得到所述待测电容30的Drop=VCAP-VCAP1=1.4V，因此，可以得到所述待测电容30的寄生电阻值ESR=Drop/I30=1.4/1.95=0.72Ω。从而测量得到了所述待测电容30的寄生电阻值。
所述电容容量及其寄生电阻测量电路通过所述控制电路400控制所述充电电路200对所述待测电容30进行充电及通过控制所述放电及采样电路300使所述待测电容30放电，并通过所述放电及采样电路300获取待测电容30的电压及放电电阻R0的电压，以此来测量得到所述待测电容30的电容容量及其寄生电阻值。所述电容容量及其寄生电阻测量电路测量准确。

Claims (8)

1.一种电容容量及其寄生电阻测量电路，包括：
一电压转换电路，用于接收一电压并将接收到的电压转换后输出；
一充电电路，用于对所述待测电容进行充电，并在所述待测电容充满电时输出一停止充电信号；
一放电及采样电路，包括一放电电阻，所述放电及采样电路接收所述电压转换电路的输出电压，并对一待测电容的放电过程进行控制以及侦测所述待测电容的电压及所述放电电阻的电压；
一控制电路，包括一具有内部计时器的微处理器，所述微处理器在待测电容充满电时接收充电电路输出的停止充电信号并根据所述停止充电信号控制所述充电电路停止对所述待测电容充电并输出一放电控制信号通过所述放电及采样电路控制所述待测电容放电，所述微处理器通过所述计时器及所述放电及采样电路获取所述待测电容从充满电至放电至零伏电压的放电时间并根据所述待测电容的放电时间及所述放电电阻的电阻值计算得到所述待测电容的容量；所述微处理器还控制所述放电及采样电路侦测所述待测电容充满电时的电压及侦测所述待测电容放电过程中任一时刻所述待测电容及放电电阻的电压以根据获得的该时刻的电压值及所述放电电阻的电阻值得到所述待测电容的寄生电阻值。
2.如权利要求1所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述电容容量测量电路还包括一连接所述微处理器的指令输入单元，通过所述指令输入单元输入一指令信号以使所述微处理器控制所述放电及采样电路侦测所述待测电容放电过程中任一时刻所述待测电容及放电电阻的电压以根据获得的该时刻的电压值及所述放电电阻的电阻值得到所述待测电容的寄生电阻值。
3.如权利要求1所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述电容容量测量电路还包括一连接所述微处理器的显示单元，所述显示单元用于显示所述微处理器获得的所述待测电容的电压及放电时间。
4.如权利要求1所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述电压转换电路包括第一至第五电容、第一至第四电阻、一电源转换芯片、一第一电感及一电压输出端，所述电源转换芯片的第一及第二输入引脚相连并经所述第一电感接一电压源，所述第一及第二电阻连接在所述电压源与地之间，所述电源转换芯片的第一I/O引脚连接在所述第一与第二电阻之间的节点，所述第一电容连接在所述电源转换芯片的第一输入引脚与地之间，所述电源转换芯片的第二I/O引脚连接所述控制电路，所述电源转换芯片的第三I/O引脚连接第一输入引脚及经所述第二电容接地，所述电源转换芯片的第一及第二输出引脚相连并连接所述电压输出端，所述第四及第五电容分别连接在所述电压输出端与地之间，所述第三及第四电阻依次串接在所述电源转换芯片的第二输出引脚与地之间，所述电源转换芯片的第四I/O引脚连接在所述第三及第四电阻之间的节点，第五I/O引脚经所述第三电容接地。
5.如权利要求4所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述充电电路包括一第一场效应管、一开关、第六至第十电容、第五至第八电阻、一发光二极管及一充电芯片，所述充电芯片的输入引脚经所述开关连接所述电压源，所述发光二极管的阳极连接所述充电芯片的输入引脚，其阴极经所述第五电阻接地，所述第六及第七电容分别连接在所述充电芯片的输入引脚与地之间，所述第一场效应管的漏极连接所述充电芯片的第一I/O引脚及经所述第六电阻连接所述充电芯片的输入引脚，其源极接地，其栅极连接所述控制电路，所述第八电容连接在所述充电芯片的第二及第三I/O引脚之间，所述充电芯片的第四I/O引脚连接所述控制电路，其输出引脚连接所述待测电容，所述第九及第十电容分别连接在所述充电芯片的输出引脚与地之间，所述充电芯片的第五I/O引脚经所述第八电阻接地，所述充电芯片的第六I/O引脚连接所述电压源及经所述第七电阻接地。
6.如权利要求5所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述放电及采样电路还包括一第二场效应管、一模数转换芯片、一采样芯片、第十至第十四电容及第九至第十三电阻，所述第十一电容及所述第十一电阻依次连接在所述模数转换芯片的第一与第二I/O引脚之间，所述模数转换芯片的第三I/O引脚连接所述控制电路，其第一输入引脚经所述第十三电阻连接所述待测电容的第一端，其第二输入引脚经所述第十二电阻连接所述待测电容的第二端，所述模数转换芯片的两接地引脚相连并依次经所述第十及第九电阻连接所述电压源及接地，所述模数转换芯片的第四I/O引脚连接在所述第九与第十电阻之间的节点，其电压引脚连接所述电压源，所述模数转换芯片的第五至第十二I/O引脚连接所述控制电路，所述第十二电容连接在所述模数转换芯片的第二输入引脚与地之间，所述第十三电容连接在所述模数转换芯片的第一输入引脚与地之间，所述第二场效应管的漏极经所述放电电阻连接所述待测电容的第一端，其源极连接所述待测电容的第二端并接地，其栅极连接所述控制电路，所述第十四电容连接在所述第二场效应管的漏极与源极之间，所述采样芯片的第一及第二输入引脚分别连接在所述放电电阻的两端，其电压引脚连接所述电压转换电路的电压输出端，其第一及第二I/O引脚连接所述控制电路，其第三I/O引脚连接所述第二I/O引脚。
7.如权利要求6所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述控制电路还包括第十五至第二十二电容、第十四至第二十电阻、一晶体振荡器、一稳压管及一第二电感，所述微处理器的第一至第七I/O引脚分别对应连接所述放电及采样电路中的模数转换芯片的第五至第十二I/O引脚，所述微处理器的第八至第十一I/O引脚分别经所述第十六至第十九电阻连接所述电压源，其电压引脚连接所述电压源，其第十二I/O引脚连接所述指令输入单元，其第十三I/O引脚连接所述放电及采样电路的模数转换芯片的第三I/O引脚，所述微处理器的第十四I/O引脚连接所述显示单元，其第十五及第十六I/O引脚分别对应连接所述放电及采样电路的采样芯片的第二及第一I/O引脚，所述微处理器的复位引脚经所述第十五电阻连接所述电压源及经所述第十六电容接地，所述第十五电容连接在所述电压源与地之间，所述微处理器的第一时钟引脚经所述第十七电容接地，其第二时钟引脚经所述第十八电容接地，所述晶体振荡器连接在所述微处理器的第一及第二时钟引脚之间，所述微处理器的参考电压引脚连接所述稳压管的控制端，所述稳压管的阴极经所述第二十电阻连接所述电压源，其阳极接地，所述第二十一及第二十二电容分别连接在所述稳压管的控制端与地之间，所述微处理器的模拟电压引脚经所述第二电感连接所述电压源，所述第十九及第二十电容分别连接在所述微处理器的模拟电压引脚与地之间，所述微处理器的第十一I/O引脚连接所述电压转换电路的电源转换芯片的第一I/O引脚，所述微处理器的第九I/O引脚连接所述充电电路的第一场效应管的栅极，所述微处理器的第八I/O引脚连接所述充电电路的充电芯片的第四I/O引脚，所述微处理器的第十I/O引脚连接所述放电及采样电路的第二场效应管的栅极。
8.如权利要求1所述的电容容量及其寄生电阻测量电路，其特征在于：所述微处理器为一单片机。
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