CN112666400A - 可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用 - Google Patents

可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用，所述电路，包括：可编程电容器CT的一端与参考电容C0的一端相连接；可编程电容器CT的另一端与仪表放大器的正向输入端VI+或反向输入端VI‑相连接，参考电容C0的另一端与仪表放大器的反向输入端VI‑或正向输入端VI+相连接；仪表放大器的输出端经调理电路与模拟数字转换芯片的输入端相连接；模拟数字转换芯片的输出端与单片机***的输入端相连接；单片机***的输出端与显示器相连接；单片机***的输出端经比例微分积分控制器与可编程电容器CT相连接。本发明的电路，能够自动补偿电容式传感器内部寄生电容对测量电路的影响，可精确测量微小电容的变化量。

Description

可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用
技术领域
本发明属于电气工程、仪器科学与技术领域，特别涉及一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用。
背景技术
随着电子工业的发展，电容式传感器的应用更加广泛起来，如温湿度传感器、压力传感器等。这些传感器是利用电容器原理，将其它物理量的变化转化为电容的变化量；通过检测传感器的电容的变化量能够反推出想要检测的物理量的变化。因此，电容测量电路的精度会直接影响到传感器的测量精度和灵敏度。
电容式传感器在设计完成时就会有一个固有的电容量我们称为寄生电容，相比本身固有的寄生电容其由于外界物理量变化而引起的电容变化量会小很多；也由于本身寄生电容的影响，其电容的变化量往往会被淹没在测量***的噪声中而检测不出来。交流法是当下测量微小电容的常用方法，但是难以解决寄生电容对测量的影响。
综上，亟需一种可自动补偿寄生电容的交流法电容测量电路，来解决这一难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用，以解决现有方法无法自动补偿传感器的寄生电容这一技术问题。本发明的电路，能够自动补偿电容式传感器内部寄生电容对测量电路的影响，可精确测量微小电容的变化量。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，包括：可编程电容器CT、参考电容C0、仪表放大器、调理电路、模拟数字转换芯片、单片机***、比例微分积分控制器和显示器；
可编程电容器CT的一端与参考电容C0的一端相连接，用于输入激励信号；可编程电容器CT的另一端与仪表放大器的正向输入端VI+或反向输入端VI-相连接，参考电容C0的另一端与仪表放大器的反向输入端VI-或正向输入端VI+相连接；其中，可编程电容器CT用于并联被测电容Cx；
仪表放大器的输出端经调理电路与模拟数字转换芯片的输入端相连接；其中，所述调理电路用于将接收的电容信号转换为直流电压信号输出；所述模拟数字转换芯片用于将接收的直流电压信号转换为数字信号进行输出；
模拟数字转换芯片的输出端与单片机***的输入端相连接；单片机***的输出端与显示器相连接；单片机***的输出端经比例微分积分控制器与可编程电容器CT相连接；其中，所述单片机***用于根据接收的数字信号进行计算并输出被测电容的容值。
本发明的进一步改进在于，还包括：信号发生芯片，用于发出作为激励信号的交流信号。
本发明的进一步改进在于，还包括：第一放大器，用于增大激励信号。
本发明的进一步改进在于，所述调理电路包括：
移相器，用于将输入的激励信号相移一个固定的角度使仪表放大器输出与移相器输出的相位相差0°或者180°；其中，激励信号为正弦信号；
乘法器，用于将仪表放大器输出与移相器输出作为输入信号并做乘法运算，将获得的结果输出；
第一滤波器，用于将乘法器输出结果中的交流分量滤除，剩下直流分量作为输出信号；
第二放大器，用于将第一滤波器的输出信号进行放大，获得放大后的信号；
第二滤波器，用于对第二放大器放大后的信号进行滤波，获取直流电压信号。
本发明的进一步改进在于，初始激励信号S1为正弦波A*sin(wt+0)，则：
VI+＝S1*jw*R1(CT+Cx)/(1+jw*R1(CT+Cx))；
VI-＝S1*jw*R4*C0/(1+jw*R4*C0)；
式中，VI+为仪表放大器的同相输入端的电压值，VI-为仪表放大器的反相输入端的电压值，j为虚数，w为角速度，w与频率f的关系是w＝2пf，R4＝R1为滤波电阻为输入偏置电流提供返回路径回路，CT为可编程电容容值，Cx为被测传感器容值，C0为参考电容容值。
本发明的进一步改进在于，VI+＝S1*jw*R4(CT+Cx)；
VI-＝S1*jw*R4*C0。
本发明的进一步改进在于，仪表放大器的输出S2为：
S2＝KG*(VI+-VI-)
＝KG*jw*R4*(CT+Cx-C0)*S1；
其中，KG为仪表放大器的放大倍数，K1＝w*R4。
本发明的进一步改进在于，初始激励信号S1经过移相器得到移相器的输出S3，表示为：
S3＝-jw*R5*C1*S1；
其中，R5为移相器的微分电阻，C1为移相器的微分电容，K2＝w*R5*C1；
调理电路的增益为K3，则调理电路的输出为Vo：
Vo＝KG*K1*K2*K3(CT+Cx-C0)；
式中，KG、K1、K2、K3、CT、C0都为已知量；
单片机***中的计算包括：Cx＝Vo/(KG*K1*K2*K3)+C0-CT；
式中，Cx＝Cp+ΔC；Cp为寄生电容和△C为可变电容组成。
本发明的一种电容测量电路的使用方法，包括以下步骤：
在接入被测传感器之前，根据输出电压的大小改变可编程电容的容值CT，令CT＝C0；
进行校零，则Vo＝K*(CT-C0)＝0；其中，K＝KG*K1*K2*K3；
接入被测传感器，此时Vo＝K*(Cp+CT-C0)＝K*Cp；
补偿寄生电容，包括：根据输出电压Vo的大小改变可编程电容的容值，令Cp+CT-C0＝0，并记此时可编程电容的容值为CT1，Cp＝C0-CT1；此时，测量电路输出Vo＝K*(Cp+CT1-C0)＝0，测量电路的输出电压：Vo＝K*(Cp+△C+CT1-C0)
＝K*△C；
完成补偿电容式传感器寄生电容的操作。
本发明的的电容测量电路的应用，用于电容式传感器或电容式执行器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的电路，能够自动补偿电容式传感器内部寄生电容对测量电路的影响，可精确测量微小电容的变化量。具体的，本发明通过将一个可编程电容CT与被测电容Cx并联作为仪表放大器的同相输入端，并用模拟数字转换芯片将测量电路的输出电压转化为数字量传输给单片机，单片机会根据得到的电压值与操作指令通过PID控制算法来改变可编程电容的容值，通过上述闭环消除电容式传感器内部寄生电容对测量电路的影响，从而精确测量微小电容。
另外，常见的电容式传感器的寄生电容大多是几十pF，而由被测量引起的电容变化量在fF级别(1pF＝1000fF)；传统的测量电路会直接把传感器的电容直接调理放大，但由于传感器电容的变化量相对于寄生电容过小所以会淹没在测量电路的噪声中。本发明提出的自动补偿寄生电容的微小电容测量电路可以通过测量电路与单片机形成闭环，改变可编程电容使电桥平衡消除寄生电容对后续测量电路的影响，只将传感器电容的变化量进行调理放大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种用于电容式传感器的可自动补偿寄生电容的电容测量电路的接线示意框图；
图2是本发明实施例的一种用于电容式传感器的可自动补偿寄生电容的电容测量电路的电路示意图；
图3是本发明实施例中，LCD显示界面示意图；
图4是本发明实施例中，基于LABVIEW上位机程序界面示意图；
图5是本发明实施例中，被测电容与输出电压的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种用于电容式传感器的可自动补偿寄生电容的电容测量电路，包括：单片机***(STM32)、模拟数字转换芯片(ADC)、仪表放大器、移相器、乘法器、低通滤波器、可编程电容器(CT)、LCD显示屏和参考电容(C0)。
请参阅图2，本发明实施例的一种用于电容式传感器的可自动补偿寄生电容的电容测量电路，包括：
激励源为交流信号AC由信号发生芯片(如AD9833)发出，一端接地，另一端接放大器1的输入端和移相器的输入端，其中放大器1与移相器是常见电路。
放大器的输出端接可编程电容CT、被测电容Cx和参考电容C0。
被测电容Cx和可编程电容CT另一端接仪表放大器的正向端VI+(或反向端VI-)，参考电容C0另一端接仪表放大器的反向端VI-(或正向端VI+)。
仪表放大器的输出端接乘法器的X1端口，移相器的输出端接乘法器的Y1端口。
乘法器的输出端后续接常见的滤波器、放大器最终输出一个与被测电容成线性关系的直流电压。ADC芯片(如AD7606)采集到输出电压后将其转化为数字信号传输给单片机***(如STM32)，然后单片机***会根据LCD上面的人机交互界面或者上位机上的人机交互界面的操作指令通过PID算法来改变可编程电容的容值。本发明通过图2所示电路实现自动调节可编程电容的容值，来校零测量电路和补偿被测传感器的寄生电容，从而实现微小电容的测量。
本发明实施例的一种用于电容式传感器的可自动补偿寄生电容的电容测量电路的工作原理：本发明通过信号发生芯片AD9833产生一个正弦波A*sin(wt+0)记为S1。然后将S1经过放大器施加在CT、Cx、C0上得到VI+与VI-则：
VI+＝S1*jw*R1(CT+Cx)/(1+jw*R1(CT+Cx))；
VI-＝S1*jw*R4*C0/(1+jw*R4*C0)；
本发明选取合适的频率w、电阻值R4和电容值C另jw*R4(CT+Cx)≈10-4、jw*R4C0≈10-4；则1+jw*R4(CT+Cx)≈1、1+jw*R4C0≈1(如w取5kHZ、R4＝R1取100Ω，本实施例中采用的可编程电容为NCD2400M电容变化范围12.5pF～194pF，为了保证电桥能够达到平衡状态C0我们的取值范围也是12.5pF～194pF，又考虑到要使此设计能够最大程度的补偿寄生电容所以取C0＝194pF)上式可化简为：
VI+＝S1*jw*R1(CT+Cx)；
VI-＝S1*jw*R4*C0；
式中，VI+为仪表放大器的同相输入端的电压值，VI-为仪表放大器的反相输入端的电压值，j为虚数，w为角速度，w与频率f的关系是w＝2пf，R4＝R1为滤波电阻为输入偏置电流提供返回路径回路，CT为可编程电容容值，Cx为被测传感器容值，C0为参考电容容值。
这两个正弦波信号经过由仪表放大器组成的减法器后就会得到一个幅值与CT+Cx-C0成正比的正弦波S2，记仪表放大器的放大倍数为KG则：
S2＝KG*(VI+-VI-)
＝KG*jw*R4*(CT+Cx-C0)*S1；
记K1＝w*R4。
由上式知：S2为幅值与(CT+Cx-C0)成正比的交流信号。
另一路S1经过常见的移相器得到S3，则：
S3＝-jw*R5*S1；
记K2＝w*R5。
S2与S3经过后续的乘法器、滤波器的组合后会得到一个与(CT+Cx-C0)成正比的直流信号，记调理电路的增益为K3则：
Vo＝KG*K1*K2*K3(CT+Cx-C0)；
其中，上式中的KG、K1、K2、K3、CT、C0都为已知量。
模数转换芯片将此时的采集到的电压Vo转化为数字信号传输给单片机***，就可得：
Cx＝Vo/(KG*K1*K2*K3)+C0-CT；
其中，Cx是由电容传感器的寄生电容Cp和可变电容△C组成即：Cx＝Cp+ΔC。
本发明实施例的所述调理电路包括：
移相器，用于将输入的激励信号S1相移一个固定的角度使仪表放大器输出S2与移相器输出S3的相位相差0°或者180°；其中，激励信号为正弦信号；
乘法器，用于将仪表放大器输出与移相器输出作为输入信号并做乘法运算；由于S2与S3是频率相同，相位相差0度或者180的正弦信号，所以S2与S3相乘的结果是一个直流分量加上2倍频率的正弦信号。
第一滤波器，将乘法器输出中的交流分量滤除，只剩下直流分量。
第二放大器，将滤波器输出的信号进行放大。
第二滤波器，再次对放大器的输出进行滤波获取更加平稳的直流电压信号。
传统的交流法电容测量电路并不能将传感器中的寄生电容对测量电路的影响自动消除，并且对于不同的电容传感器来说其本身的寄生电容Cp是不同的，这就使得他们很难检测微小电容ΔC的电容值。根据测量电路的输出与可编程电容调节使电桥平衡消除寄生电容对测量电路的影响。本发明提出的测量电路则可以通过测量电路与单片机组成的闭环来调节可编程电容，当接入被测电容后通过此闭环调节可编程电容使测量电路中由仪表放大器组成的电桥处于平衡状态这样就消除了电容传感器寄生电容对测量电路的影响。
本发明实施例的一种电容测量电路的使用方法，包括以下步骤：
在接入被测传感器之前，根据输出电压的大小改变可编程电容的容值CT，令CT＝C0。
对测量电路进行校零，则此时：
Vo＝K*(CT-C0)＝0；
其中，K＝KG*K1*K2*K3。
然后接入被测传感器，由于电容式传感器有寄生电容Cp此时
Vo＝K*(Cp+CT-C0)
＝K*Cp；
然后我们通过点击LCD上的操作界面如图3或者上位机的界面如图4上面的“Parasitic Capacitance”按钮，来开始补偿寄生电容。当单片机检测到“ParasiticCapacitance”按钮点击后，就会根据输出电压Vo的大小来改变可编程电容的容值，最后令Cp+CT-C0＝0，并记此时可编程电容的容值为CT1，则Cp＝C0-CT1。此时测量电路输出Vo＝K*(Cp+CT1-C0)＝0，这样以后测量电路的输出电压：
Vo＝K*(Cp+△C+CT1-C0)
＝K*△C；
通过上式可以发现输出电压只与电容式传感器的电容改变量△C成正比而与其本身的寄生电容无关，这样就消除了寄生电容对输出电压的影响。
经过以上步骤就完成了补偿电容式传感器寄生电容的操作。
综上，本发明通过将一个可编程电容CT与被测电容Cx并联作为仪表放大器的同相输入端，并用模拟数字转换芯片将测量电路的输出电压转化为数字量传输给单片机，单片机会根据得到的电压值与操作指令通过PID控制算法来改变可编程电容的容值，通过上述闭环消除电容式传感器内部寄生电容对测量电路的影响，从而精确测量微小电容。常见的电容式传感器的寄生电容大多是几十pF，而由被测量引起的电容变化量在fF级别(1pF＝1000fF)；传统的交流法测量电路会直接把传感器的电容直接调理放大，但由于传感器电容的变化量相对于寄生电容过小所以会淹没在测量电路的噪声中。而本发明提出的自动补偿寄生电容的微小电容测量电路可以通过测量电路与单片机形成闭环，改变可编程电容使电桥平衡消除寄生电容对后续测量电路的影响，只将传感器电容的变化量进行调理放大。
本发明实施例的实验数据：
请参阅图5，首先使用标准陶瓷电容来校正测量电路；校正完成后测量由知微传感研发的电容式二维扫描微镜C1130，测量结果如表1所示：
表1.实施例测量结果
Figure BDA0002785329680000091
由表1可知，电容式二维扫描微镜C1130的寄生电容为32.79pF，本发明提出的测量电路能很好的补偿此寄生电容，达到了此发明的目的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，包括：可编程电容器CT、参考电容C0、仪表放大器、调理电路、模拟数字转换芯片、单片机***、比例微分积分控制器和显示器；
可编程电容器CT的一端与参考电容C0的一端相连接，用于输入激励信号；可编程电容器CT的另一端与仪表放大器的正向输入端VI+或反向输入端VI-相连接，参考电容C0的另一端与仪表放大器的反向输入端VI-或正向输入端VI+相连接；其中，可编程电容器CT用于并联被测电容Cx；
仪表放大器的输出端经调理电路与模拟数字转换芯片的输入端相连接；其中，所述调理电路用于将接收的电容信号转换为直流电压信号输出；所述模拟数字转换芯片用于将接收的直流电压信号转换为数字信号进行输出；
模拟数字转换芯片的输出端与单片机***的输入端相连接；单片机***的输出端与显示器相连接；单片机***的输出端经比例微分积分控制器与可编程电容器CT相连接；其中，所述单片机***用于根据接收的数字信号进行计算并输出被测电容的容值。
2.根据权利要求1所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，还包括：信号发生芯片，用于发出作为激励信号的交流信号。
3.根据权利要求2所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，还包括：第一放大器，用于增大激励信号。
4.根据权利要求1所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，所述调理电路包括：
移相器，用于将输入的激励信号相移一个固定的角度使仪表放大器输出与移相器输出的相位相差0°或者180°；其中，激励信号为正弦信号；
乘法器，用于将仪表放大器输出与移相器输出作为输入信号并做乘法运算，将获得的结果输出；
第一滤波器，用于将乘法器输出结果中的交流分量滤除，剩下直流分量作为输出信号；
第二放大器，用于将第一滤波器的输出信号进行放大，获得放大后的信号；
第二滤波器，用于对第二放大器放大后的信号进行滤波，获取直流电压信号。
5.根据权利要求4所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，初始激励信号S1为正弦波A*sin(wt+0)，则：
VI+＝S1*jw*R1(CT+Cx)/(1+jw*R1(CT+Cx))；
VI-＝S1*jw*R4*C0/(1+jw*R4*C0)；
式中，VI+为仪表放大器的同相输入端的电压值，VI-为仪表放大器的反相输入端的电压值，j为虚数，w为角速度，w与频率f的关系是w＝2пf，R4＝R1为滤波电阻为输入偏置电流提供返回路径回路，CT为可编程电容容值，Cx为被测传感器容值，C0为参考电容容值。
6.根据权利要求5所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，
VI+＝S1*jw*R4(CT+Cx)；
VI-＝S1*jw*R4*C0。
7.根据权利要求5所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，仪表放大器的输出S2为：
S2＝KG*(VI+-VI-)＝KG*jw*R4*(CT+Cx-C0)*S1；
其中，KG为仪表放大器的放大倍数，K1＝w*R4。
8.根据权利要求7所述的一种可自动补偿寄生电容的电容测量电路，其特征在于，初始激励信号S1经过移相器得到移相器的输出S3，表示为：
S3＝-jw*R5*C1*S1；
其中，R5为移相器的微分电阻，C1为移相器的微分电容，K2＝w*R5*C1；
调理电路的增益为K3，则调理电路的输出为Vo：
Vo＝KG*K1*K2*K3(CT+Cx-C0)；
式中，KG、K1、K2、K3、CT、C0都为已知量；
单片机***中的计算包括：Cx＝Vo/(KG*K1*K2*K3)+C0-CT；
式中，Cx＝Cp+ΔC；Cp为寄生电容和△C为可变电容组成。
9.一种权利要求1所述的电容测量电路的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
在接入被测传感器之前，根据输出电压的大小改变可编程电容的容值CT，令CT＝C0；
进行校零，则Vo＝K*(CT-C0)＝0；其中，K＝KG*K1*K2*K3；
接入被测传感器，此时Vo＝K*(Cp+CT-C0)＝K*Cp；
补偿寄生电容，包括：根据输出电压Vo的大小改变可编程电容的容值，令Cp+CT-C0＝0，并记此时可编程电容的容值为CT1，Cp＝C0-CT1；此时，测量电路输出Vo＝K*(Cp+CT1-C0)＝0，测量电路的输出电压：Vo＝K*(Cp+△C+CT1-C0)＝K*△C；
完成补偿电容式传感器寄生电容的操作。
10.一种权利要求1所述的电容测量电路的应用，其特征在于，用于电容式传感器或电容式执行器。
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