CN112255464B - 一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路及测量方法，其根据实际的寄生电容值来自动设置补偿电容值，能够保证电容补偿的有效性，保证电容测量电路正常工作，提高电容测量的精度，其包括电荷补偿模拟前端模块、模拟/数字转换器、数字控制模块、抽取滤波器模块和基准电压模块；所述电荷补偿模拟前端模块的输入端与被测电容相连，所述电荷补偿模拟前端模块输出端与所述模拟/数字转换器输入端相连，其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块的输入端设置了补偿电荷阵列模块，所述补偿电荷阵列模块根据寄生电容值设置补偿电容值，所述电荷补偿模拟前端模块得到补偿电容阵列码和剩余电压，并将剩余电压输出到所述模拟/数字转换器。

Description

一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，特别是指一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路及测量方法。

背景技术

现在许多智能设备的触摸屏电容为自电容类型，即被测电容的一端固定接地。这些电容的电容值需要被测量。现有技术中一般采用电容数字转换器对这些自电容进行测量。电容数字转换器的电容测量电路中有一个重要的组成部分是电荷补偿模拟前端。

现有技术中电容测量电路的电荷补偿模拟前端多采用电荷放大电路，基本的电荷放大电路存在的问题是：无法在寄生电容为100pF以上时正常工作。因为大寄生电容会产生大量的充电电荷,这些电荷进入电荷放大结构,会导致一个很大的电压阶跃。这个电压阶跃将浪费电压余度,并且如果通过增大反馈电容来减小这个电压值,则电容测量的精度会有所损失，达不到测量的要求。

现有技术中会采用电荷补偿结构来解决上述问题，但是由于电荷补偿结构中的补偿电容为固定值，会导致下述的两个问题：1.需要预先知道寄生电容的大小才能确定补偿电容的大小；2.若寄生电容是一个随温度和湿度而改变的电容,那么补偿就可能失效，并可能最终导致电容测量电路不能正常工作。

发明内容

针对现有的电容测量电路中电荷补偿结构的补偿电容值为固定值且需要预先确定寄生电容值才能确定，造成补偿电容值取值困难，寄生电容一旦发生改变可能导致补偿失效、电容测量电路可能无法正常工作的问题，本申请提供了一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其能解决上述问题，能够保证电容补偿的有效性、电容测量电路正常工作，提高电容测量的精度。

其技术方案如下：一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其包括电荷补偿模拟前端模块AFE、模拟/数字转换器ADC、数字控制模块、抽取滤波器模块和基准电压模块；所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端与被测电容Cx相连，所述电荷补偿模拟前端模块AFE输出端与模拟/数字转换器ADC输入端相连，所述模拟/数字转换器ADC的输出端与抽取滤波器模块输入端相连；

其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端设置了补偿电荷阵列模块，所述补偿电荷阵列模块根据寄生电容值设置补偿电容值并生成补偿电容阵列码，所述电荷补偿模拟前端模块AFE测得剩余电压并将其输出到模拟/数字转换器ADC；所述模拟/数字转换器对剩余电压进行过采样并进行模数转换产生过采样数字码流，然后将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块；所述抽取滤波器模块将数字码降频并低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器输出数字码；最终电容测量的输出值为所述补偿电容阵列码和所述模拟/数字转换器输出数字码的相加。

进一步的，所述电荷补偿模拟前端模块AFE包括第一运算放大器CA、比较器COMP、补偿电荷阵列模块、单端转双端输出模块；

所述第一运算放大器CA的反相输入端连接被测电容Cx、寄生电容和补偿电荷阵列模块，同相输入端连接激励信号VEX；第一运算放大器CA的输出端连接比较器COMP的同相输入端和单端转双端输出模块的输入端，在第一运算放大器CA的输出端和反相输入端之间连接反馈电容Cfb和复位开关RST_CA，反馈电容Cfb和复位开关RST_CA并联；

比较器COMP的反相输入端连接共模电压VCM，比较器的VOUTN端和VOUTP端连接补偿电荷阵列模块。

补偿电荷阵列模块包含补偿电容、电容开关SWITCH、逻辑控制单元DYNAMIC；

补偿电容采用9个电容，各补偿电容的上极板连接到第一运算放大器CA的反相输入端，各补偿电容的下极板和激励信号NVCR之间均连接有一个电容开关SWITCH，每个SWITCH又与一个逻辑控制单元DYNAMIC相连；

各补偿电容的下极板连接电容开关SWITCH的OUT端，电容开关SWITCH的D端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端相连，电容开关SWITCH的N端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的N端相连，电容开关SWITCH的IN端与激励信号NVCR相连；

第一补偿电容C8对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端接复位信号RST_COMPENSATE，其余各补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端分别接上一个补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的Q端，各逻辑控制单元DYNAMIC的CMPP端和CMPN端分别与比较器COMP的VOUTN端和VOUTP端经反相器反相后相连；各逻辑控制单元DYNAMIC的VALID端与比较器COMP的VOUTN端、VOUTP端经或非门后相连。

9个补偿电容的电容值为二进制权值分布，C8＝2C7＝4C6＝8C5＝16C4＝32C3＝64C2＝128C1＝256C0。

所述单端转双端输出模块包括第二运算放大器、第三运算放大器；第二、三运算放大器的同相输入端均与共模电压VCM相连，第二、三运算放大器的反相输入端均通过采样电容Cs1与第一运算放大器CA的输出端相连，上述反相输入端与采样电容Cs1之间还分别连接单转双开关PUSAI2、PUSAI1；第二运算放大器的反相输入端与其输出端VP之间连接有复位开关RST_P和采样电容Cs2，复位开关RST_P和采样电容Cs2并联；第三运算放大器的反相输入端与其输出端VN之间连接有复位开关RST_N和采样电容Cs3，复位开关RST_N和采样电容Cs3并联；电荷补偿模拟前端模块AFE的比较器COMP采用预放大和锁存结构。

电荷补偿模拟前端模块AFE中第一运算放大器CA采用PMOS差动对输入、单端输出、增益增强运算放大器结构，由主运算放大器、两个辅助运算放大器构成，两个辅助运算放大器均为源级输入。

电荷补偿模拟前端模块AFE中单端转双端输出模块的第二、三运算放大器均采用p输入、两级放大结构，第一级使用了低压自偏置共源共栅结构，第二级采用了推挽式结构，两级之间加入米勒补偿电容。

一种采用上述电路的电容测量方法，步骤包括：

步骤1.电荷补偿模拟前端模块AFE测量被测电容Cx，得到补偿电容阵列码和剩余电压，并将剩余电压输出到模拟/数字转换器ADC；

步骤2.模拟/数字转换器ADC用于对剩余电压进行过采样并进行模数转换得到过采样数字码流，将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块；

步骤3.抽取滤波器模块将数字码降频并低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器输出数字码；最终的电容测量的输出值为补偿电容阵列码和模拟/数字转换器数字码输出数字码相加；

其特征在于：其步骤1中还包括以下步骤：

步骤1-1.在设置补偿电容的第一个周期中，首先将补偿电荷阵列的第一补偿电容C8的电容开关闭合，阵列中其余补偿电容的电容开关断开；

步骤1-2.激励信号VEX和NVCR分别处在低电平VL和VGND，复位开关RST_CA闭合，对反馈电容Cfb进行复位，被测电容Cx以及寄生电容Cpara将被充电，稳定后反馈电容Cfb两端的电压均为VL，VL是小于VCM的固定常数电压值(比如1.3125V)；

步骤1-3.将复位开关RST_CA断开，激励信号VEX和NVCR一同上升，电压变化量分别为ΔVEX＝VCM-VL和ΔNVCR＝VDD-VGND，被测电容Cx和寄生电容Cpara将会增加电荷量为(Cx+Cpara)×ΔVEX，其中补偿电荷阵列将提供C8×(ΔNVCR-ΔVEX)的电荷量；反馈电容Cfb需要提供的电荷量为(Cx+Cpara)×ΔVEX-C8×(ΔNVCR-ΔVEX)；因此第一运算放大器CA的输出为VCM+ΔVout，其中

步骤1-4.如果第一运算放大器的输出(VCM+ΔVout)>VCM，表示欠补偿，则保持C8的开关闭合；如果(VCM+ΔVout)<VCM，表示过补偿，则把C8的开关断开；

步骤1-5.将补偿电荷阵列中的C7至C0依次接入，依次将其电容开关闭合，依次执行步骤1-2至1-4，完成第二个至九个周期；

步骤1-6.在9个周期之后，将会产生9位的补偿电容阵列码，最终经过电容补偿后第一运算放大器CA的输出电压VCA为VCM+ΔVout，其中

C_{CAP_ARRAY}为9个周期后补偿电荷阵列的补偿电容值。

步骤1还包括：

步骤1-7.将复位开关RST_CA、RST_N以及单转双开关PUSAI1闭合,激励信号VEX和NVCR分别设置为VL和GND，此时VCA＝VL，VN＝VCM；

步骤1-8.再将复位开关RST_CA、RST_N断开，激励信号VEX和NVCR分别上升至VCM和VDD，这时VCA的电压变化为ΔVEX+ΔVout，此时单端转双端输出模块的输出端VN将会输出电压为VCM-(ΔVEX+ΔVout)；

步骤1-9.此时将PUSAI1断开，这个电压将被保存在电容Cs两端；

步骤1-10.再将PUSAI2、RST_P闭合,VP＝VCM；

步骤1-11.接着将RST_P断开，RST_CA闭合，VEX下降至VL，这时VCA的电压变化为-(ΔVEX+ΔVout)，此时单端转双端输出模块的输出端VP将会输出电压VCM+(ΔVEX+ΔVout)，因此单端转双端输出模块输出以VCM电压为中心的双端电压，并且电压差值为VP-VN＝2(ΔVEX+ΔVout)，上述的电压差值VP-VN为剩余电压。

本发明提供的一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路和测量方法，具备以下有益效果：其通过设置电荷补偿阵列来实现根据实际的寄生电容值来自动设置补偿电容值，无需提前确定寄生电容值来设置固定的补偿电容，进而避免了寄生电容随温度、湿度变化而改变导致补偿失效、测量电路无法工作的问题，能够保证电容补偿的有效性、电容测量电路正常工作，提高电容测量的精度。

附图说明

图1为电容测量电路的整体示意图；

图2为电荷补偿模拟前端模块电路图；

图3为电荷补偿阵列电路示意图；

图4为比较器COMP电路图；

图5为第一运算放大器电路图；

图6为第二/第三运算放大器电路图；

图7为电容开关SWITCH电路图；

图8为逻辑控制单元电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，包括电荷补偿模拟前端模块AFE、模拟/数字转换器ADC、数字控制模块、抽取滤波器模块和基准电压模块。

基准电压模块分别与电荷补偿模拟前端模块AFE、模拟/数字转换器ADC、数字控制模块、抽取滤波器模块相连，用于提供模块所需的基准电压。

数字控制模块与电荷补偿模拟前端模块、模拟/数字转换器、抽取滤波器模块相连，用于提供逻辑运算和时序控制。

电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端与被测电容Cx相连，电荷补偿模拟前端模块AFE输出端与模拟/数字转换器ADC采样输入端相连。

电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端设置了补偿电荷阵列模块，所述补偿电荷阵列模块根据寄生电容值设置补偿电容值，电荷补偿模拟前端模块AFE用于将被测电容Cx的值转换为补偿电容阵列码和剩余电压的相加形式，并将剩余电压输出到模拟/数字转换器ADC。

模拟/数字转换器ADC的输出端与抽取滤波器模块输入端相连，模拟/数字转换器用于对剩余电压进行过采样并进行模数转换产生过采样数字码流，然后将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块。

抽取滤波器模块将数字码降频并低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器输出数字码；最终的被测电容Cx的输出值为补偿电容阵列码和模拟/数字转换器输出数字码的相加。

如图2所示，电荷补偿模拟前端模块AFE包括：第一运算放大器CA、比较器COMP、补偿电荷阵列模块、单端转双端输出模块。Cx和Cpara分别为被测电容和寄生电容，Cfb为反馈电容，Cs1、Cs2、Cs3为采样电容，RST_CA、RST_P、RST_N为复位开关，PUSAI2、PUSAI1为单转双开关；VCM为共模电压即VDD的一半；VEX以及NVCR为激励信号；NVCR的变化范围为GND～VDD，VEX的变化范围为VL～VCM，其中VL<VCM，之后为表示方便记ΔNVCR＝VDD-GND，ΔVEX＝VCM-VL，并且ΔNVCR远大于ΔVEX，VL是小于VCM的固定常数电压值比如1.3125V。

第一运算放大器CA的反相输入端连接被测电容Cx、寄生电容和补偿电荷阵列模块，同相输入端连接激励信号VEX。

第一运算放大器的输出端连接比较器COMP的同相输入端和单端转双端输出模块的输入端，在输出端和反相输入端之间连接反馈电容Cfb和复位开关RST_CA，反馈电容Cfb和复位开关RST_CA并联；比较器COMP的反相输入端连接共模电压VCM，比较器的VOUTN端和VOUTP端连接补偿电荷阵列模块。

如图3所示，补偿电荷阵列模块包含补偿电容、电容开关SWITCH、逻辑控制单元DYNAMIC。

补偿电容采用9个电容并联的方式，各补偿电容的上极板连接到第一运算放大器CA的反相输入端，各补偿电容的下极板和激励信号NVCR之间均连接有一个电容开关SWITCH，每个SWITCH又与一个逻辑控制单元DYNAMIC相连。

各补偿电容的下极板连接电容开关SWITCH的OUT端，电容开关SWITCH的D端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端相连，电容开关SWITCH的N端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的N端相连，电容开关SWITCH的IN端与激励信号NVCR相连。

第一补偿电容C8对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端接复位信号RST_COMPENSATE，其余各补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端分别接上一个补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的Q端，各逻辑控制单元DYNAMIC的CMPP端和CMPN端分别与比较器COMP的VOUTN端和VOUTP端经反相器反相后相连；各逻辑控制单元DYNAMIC的VALID端与比较器COMP的VOUTN端、VOUTP端经或非门后相连；9个补偿电容的电容值为二进制权值分布，即C8＝2C7＝4C6＝8C5＝16C4＝32C3＝64C2＝128C1＝256C0。

单端转双端输出模块包括第二运算放大器、第三运算放大器；第二、三运算放大器的同相输入端均与共模电压VCM相连，第二、三运算放大器的反相输入端均通过采样电容Cs1与第一运算放大器CA的输出端相连，上述反相输入端与采样电容Cs1之间还分别连接单转双开关PUSAI2、PUSAI1；第二运算放大器的方向输入端与其输出端VP之间连接有复位开关RST_P和采样电容Cs2，复位开关RST_P和采样电容Cs2并联；第三运算放大器的反相输入端与其输出端VN之间连接有复位开关RST_N和采样电容Cs3，复位开关RST_N和采样电容Cs3并联。

如图4所示，电荷补偿模拟前端模块的比较器COMP采用预放大和锁存结构，并且该比较器只需要一个时钟进行工作。

如图5所示，电荷补偿模拟前端模块中第一运算放大器CA采用PMOS差动对输入单端输出增益增强型运放结构，由主运放，UP和DN辅助运放构成，两个辅助运放均为源级输入，第一运算放大器CA采用上述结构，目的是实现大的低频增益和较低的噪声，同时，放大器只有一个位于主运放输出端的低频极点，以满足电容负载范围变化很大情况下放大器反馈环路的稳定性，这是因为，在电荷放大部分，由于开关RST_CA闭合时，运放CA的负载电容包含很大的寄生电容，而当RST_CA断开后，CA的负载电容仅为Cs1。

如图6所示，电荷补偿模拟前端模块中单端转双端输出模块的第二、三运算放大器采用PMOS对输入，两级放大结构，第一级采用低压自偏置共源共栅结构；第二级采用推挽式结构，以增大输出摆幅；两级之间加入米勒补偿电容确保闭环时的稳定性。

如图7所示，该图为所述电容开关SWITCH的电路图，所述电容开关SWITCH的导通逻辑为：

D为当前电容开关SWITCH对应的逻辑控制单元DYNAMIC的输入，也就是上一个逻辑控制单元DYNAMIC的输出Q，N为当前逻辑控制单元DYNAMIC输出的N端；可以在上一个补偿电容比较完成之后，导通当前电容开关SWITCH，然后根据这次补偿电容的接入进行比较，产生结果锁存在P、N，P为当前逻辑控制单元DYNAMIC输出的P端，利用其中的N端来决定是否保留接入这个当前的补偿电容。

如图8所示，逻辑控制单元DYNAMIC的电路结构为现有技术，在此不做赘述。

一种采用上述基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路的电容测量方法，步骤包括：

步骤1.电荷补偿模拟前端测量被测电容，将被测的电容数值转换为补偿电容阵列码和剩余电压的形式，并将剩余电压输出到模拟/数字转换器；

步骤2.模拟/数字转换器用于对剩余电压进行过采样并进行模数转换，将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块；

步骤3.抽取滤波器模块将数字码降频并低通滤波后得到模拟/数字转换器数字码；最终的电容测量的输出值为补偿电容阵列码和模拟/数字转换器数字码。

其特征在于：其步骤1中还包括步骤：

步骤1-1.在第一个周期中，首先将补偿电荷阵列的第一补偿电容C8的开关闭合，阵列中其余电容断开；

步骤1-2.激励信号VEX和NVCR分别处在低电平VL和VGND，电容开关RST_CA闭合对电容Cfb进行复位，被测电容以及寄生电容将被充电，稳定后电容Cfb两端的电压均为VL；

步骤1-3.之后将RST_CA断开，激励信号VEX和NVCR一同上升，电压变化量分别为ΔVEX和ΔNVCR；这时由于运放CA的作用，被测电容以及寄生电容(Cx+Cpara)将会增加电荷量(Cx+Cpara)×ΔVEX，这部分电荷将大部分由补偿电容阵列提供，小部分由反馈电容提供；由于只有C8的开关闭合因此第一个周期中补偿电容阵列将提供C8×(ΔNVCR-ΔVEX)的电荷；因此反馈电容需要提供的电荷为(Cx+Cpara)×ΔVEX-C8×(ΔNVCR-ΔVEX)；因此CA的输出为VCM+ΔVout，其中

步骤1-4.如果第一运算放大器的输出(VCM+ΔVout)>VCM，表示欠补偿，则保持C8的开关闭合；如果(VCM+ΔVout)<VCM，表示过补偿，则把C8的开关断开；

步骤1-5.这时第一个周期结束，将电容阵列中的C7至C0依次接入，依次关闭其电容开关，依次执行步骤1-2至1-4，完成第二至九个补偿的周期；

步骤1-6.在9个周期的补偿之后，将会产生9位的补偿电容阵列码，最终经过补偿后CA的输出电压VCA为VCM+ΔVout，其中

步骤1还包括：

步骤1-7.将RST_CA,RST_N以及PUSAI1闭合,VEX和NVCR分别为VL和GND，此时VCA＝VL，VN＝VCM；

步骤1-8.之后RST_N和RST_CA先断开，激励信号VEX和NVCR分别上升至VCM和VDD，这时VCA的电压变化为ΔVEX+ΔVout，在运放AMP的作用下，由于电荷守恒，输出端VN将会输出电压VCM-(ΔVEX+ΔVout)；

步骤1-9.此时将PUSAI1断开，这个电压将被保存在电容Cs两端；

步骤1-10.将PUSAI2与RST_P闭合,VP＝VCM；

步骤1-11.接着将RST_P断开，RST_CA闭合，VEX下降至VL。这时VCA的电压变化为-(ΔVEX+ΔVout)，在运放AMP的作用下，由于电荷守恒，输出端VP将会输出电压VCM+(ΔVEX+ΔVout)，因此这个单端电压转换成了以VCM电压为中心的双端电压，并且电压差值为VP-VN＝2(ΔVEX+ΔVout)，电压差值VP-VN为剩余电压；其中ΔVEX为一个固定的较小的值，可以通过将后续ADC的输出码减去固定码值消除，而对于只需电容相对变化值的应用则可以直接保留。

最终的得到的电容测量值如下：

Cpara+Cx＝{[(VP-VN)/2-ΔV_EX]Cfb+(ΔNVCR-ΔV_EX)C_{CAP_ARRAY}}/ΔV_EX

由于VP-VN经过ADC转换后将得到二进制码，则可将VP-VN表示为:

(假设ADC的位数为14位)

同时电容阵列的电容也可以用电容阵列二进制码进行表示，假设电容阵列的最小电容为Cmim。则可将其表示为：

C_{CAP_ARRAY}＝C_mim×[CAP_ARRAY_CODE]

利用二进制码替换表达式后：

可以通过参数的选取，使得最终的电容阵列码以及后续ADC的码值结合的数字逻辑运算变得简单，例如(VDD＝3V,VCM＝1.5V,Cfb＝6Cmim，VL＝1.3125V的情况下，ΔVEX＝0.1875V,ΔNVCR＝3V)

Cx+Cpara＝6C_mim(8[ADC_CODE]+15[CAP_ARRAY_CODE]-1)。

电荷补偿模拟前端模块AFE有两种主要运用方式，取决于整体CDC的应用场景：

1：对于寄生电容很大，而被测电容的变化范围很小的应用场景：选取参数值，使得在某一环境下进行一次补偿后，被测电容的范围始终不会使得输出的双端电压溢出，之后不再重新进行补偿，AFE模块经过经过一次运作产生9位补偿电容阵列码之后，即可停止相应模块工作，被测带电容的变化仅需通过模拟/数字转换器ADC对剩余电压的采样和转换来体现。

这种运用方式检测范围小，但是功耗低。

2：被测电容的变化范围很大的应用场景：在每次测量中AFE模块和模拟/数字转换器模块均始终工作，将AFE模块输出补偿电容阵列码与模拟/数字转换器输出数字码相加，反映测量电容值。

这种测量范围功耗较大，但是增大了电容测量电路的动态范围。

Claims (10)

1.一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其包括电荷补偿模拟前端模块AFE、模拟/数字转换器ADC、数字控制模块、抽取滤波器模块和基准电压模块；所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端与被测电容Cx相连，所述电荷补偿模拟前端模块AFE输出端与模拟/数字转换器ADC输入端相连，所述模拟/数字转换器ADC的输出端与抽取滤波器模块输入端相连；

其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端设置了补偿电荷阵列模块，所述补偿电荷阵列模块用于根据寄生电容值设置补偿电容值并生成补偿电容阵列码，所述电荷补偿模拟前端模块AFE测得剩余电压并将其输出到模拟/数字转换器ADC；所述模拟/数字转换器对剩余电压进行模数转换并产生过采样数字码流，然后将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块；所述抽取滤波器模块将数字码降频和低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器的输出数字码；最终电容测量的输出值为所述补偿电容阵列码和所述模拟/数字转换器的输出数字码相加。

2.根据权利要求1所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块AFE包括第一运算放大器CA、比较器COMP、补偿电荷阵列模块、单端转双端模块；

所述第一运算放大器CA的反相输入端连接被测电容Cx、寄生电容和补偿电荷阵列模块，同相输入端连接激励信号VEX；第一运算放大器CA的输出端连接比较器COMP的同相输入端和单端转双端输出模块的输入端，在第一运算放大器CA的输出端和反相输入端之间连接反馈电容Cfb和复位开关RST_CA，反馈电容Cfb和复位开关RST_CA并联；

比较器COMP的反相输入端连接共模电压VCM，比较器的VOUTN端和VOUTP端连接补偿电荷阵列模块。

3.根据权利要求2所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：补偿电荷阵列模块包含补偿电容、电容开关SWITCH、逻辑控制单元DYNAMIC；

补偿电容采用9个电容，各补偿电容的上极板连接到第一运算放大器CA的反相输入端，各补偿电容的下极板和激励信号NVCR之间均连接有一个电容开关SWITCH，每个SWITCH又与一个逻辑控制单元DYNAMIC相连；

各补偿电容的下极板连接电容开关SWITCH的OUT端，电容开关SWITCH的D端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端相连，电容开关SWITCH的N端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的N端相连，电容开关SWITCH的IN端与激励信号NVCR相连；

第一补偿电容C8对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端接复位信号RST_COMPENSATE，其余各补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端分别接上一个补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的Q端，各逻辑控制单元DYNAMIC的CMPP端和CMPN端分别与比较器COMP的VOUTN端和VOUTP端经反相器取反后相连；各逻辑控制单元DYNAMIC的VALID端与比较器COMP的VOUTN端、VOUTP端经或非门后相连。

4.根据权利要求3所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：9个补偿电容的电容值为二进制权值分布，即C8＝2C7＝4C6＝8C5＝16C4＝32C3＝64C2＝128C1＝256C0。

5.根据权利要求4所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：所述单端转双端输出模块包括第二运算放大器、第三运算放大器；第二、三运算放大器的同相输入端均与共模电压VCM相连，第二、三运算放大器的反相输入端均通过采样电容Cs1与第一运算放大器CA的输出端相连，上述反相输入端与采样电容Cs1之间还分别连接单转双开关PUSAI2、PUSAI1；第二运算放大器的反相输入端与其输出端VP之间连接有复位开关RST_P和采样电容Cs2，复位开关RST_P和采样电容Cs2并联；第三运算放大器的反相输入端与其输出端VN之间连接有复位开关RST_N和采样电容Cs3，复位开关RST_N和采样电容Cs3并联。

6.根据权利要求5所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：电荷补偿模拟前端模块AFE的比较器COMP采用预放大和锁存结构。

7.根据权利要求6所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：电荷补偿模拟前端模块AFE中第一运算放大器CA采用PMOS差动对输入、单端输出、增益增强运算放大器结构，由主运算放大器、两个辅助运算放大器构成，两个辅助运算放大器均为源级输入。

8.根据权利要求7所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：电荷补偿模拟前端模块AFE中单端转双端输出模块的第二、三运算放大器均采用PMOS差动对输入、两级放大，第一级使用了低压自偏置共源共栅放大结构，第二级使用了推挽式结构，两级之间加入米勒补偿电容。

9.一种采用上述权利要求8所述的电路的电容测量方法，步骤包括：

步骤1.电荷补偿模拟前端模块AFE测量被测电容Cx，得到补偿电容阵列码和剩余电压，并将剩余电压输出到模拟/数字转换器ADC；

步骤2.模拟/数字转换器ADC用于对剩余电压进行过采样并进行模数转化得到过采样数字码流，将产生的过采样数字码输出给抽取滤波器模块；

步骤3.抽取滤波器模块将数字码降频并低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器输出数字码；最终的电容测量的输出值为补偿电容阵列码和模拟/数字转换器输出数字码相加的形式；

其特征在于：其步骤1中还包括以下步骤：

步骤1-1.在设置补偿电容的第一个周期中，首先将补偿电荷阵列的第一补偿电容C8的电容开关闭合，阵列中其余补偿电容的电容开关断开；

步骤1-2.激励信号VEX和NVCR分别处在低电平VL和GND，复位开关RST_CA闭合，对反馈电容Cfb进行复位，被测电容Cx以及寄生电容Cpara将被充电，稳定后反馈电容Cfb两端的电压均为VL，VL是小于VCM的固定常数电压值；

步骤1-3.将复位开关RST_CA断开，激励信号VEX和NVCR一同上升，电压变化量分别为ΔVEX＝VCM-VL和ΔNVCR＝VDD-VGND，被测电容Cx和寄生电容Cpara将会增加电荷量为(Cx+Cpara)×ΔVEX，其中补偿电荷阵列将提供C8×(ΔNVCR-ΔVEX)的电荷量；反馈电容Cfb需要提供的电荷量为(Cx+Cpara)×ΔVEX-C8×(ΔNVCR-ΔVEX)；因此第一运算放大器CA的输出为VCM+ΔVout，其中

步骤1-4.如果第一运算放大器的输出(VCM+ΔVout)>VCM，表示欠补偿，则保持C8的开关闭合；如果(VCM+ΔVout)<VCM，表示过补偿，则把C8的开关断开；

步骤1-5.将补偿电荷阵列中的C7至C0依次接入，依次将其电容开关闭合，依次执行步骤1-2至1-4，完成第二个至九个周期；

步骤1-6.在9个周期之后，将会产生9位的补偿电容阵列码，最终经过电容补偿后第一运算放大器CA的输出电压VCA为VCM+ΔVout，其中

C_{CAP_ARRAY}为9个周期后补偿电荷阵列的补偿电容值。

10.根据权利要求9所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路的测量方法，其特征在于：步骤1还包括：

步骤1-7.将复位开关RST_CA、RST_N以及单转双开关PUSAI1闭合,激励信号VEX和NVCR分别设置为VL和GND，此时VCA＝VL，VN＝VCM；

步骤1-8.再将复位开关RST_CA、RST_N断开，激励信号VEX和NVCR分别上升至VCM和VDD，这时VCA的电压变化为ΔVEX+ΔVout，此时单端转双端输出模块的输出端VN将会输出电压为VCM-(ΔVEX+ΔVout)；

步骤1-9.此时将PUSAI1断开，这个电压将被保存在电容Cs两端；

步骤1-10.再将PUSAI2、RST_P闭合,VP＝VCM；

步骤1-11.接着将RST_P断开，RST_CA闭合，VEX下降至VL，这时VCA的电压变化为-(ΔVEX+ΔVout)，此时单端转双端输出模块的输出端VP将会输出电压VCM+(ΔVEX+ΔVout)，因此单端转双端输出模块输出以VCM电压为中心的双端电压，并且电压差值为VP-VN＝2(ΔVEX+ΔVout)，上述的电压差值VP-VN为剩余电压。

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