[實用新型]一種絕對電容和差動電容測量電路

有效

• 申請號: 201420683217.2
• 申請日: 2014-11-13
• 公開（公告）號: CN204177872U
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 梁亮;石屹然;周秀文;石要武;高偉;李新波;馬彥;方盛洲;付云博
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 郭耀輝

技術領域

本實用新型涉及一種電容測量電路，尤其涉及一種利用晶體震蕩電路來測量絕對電容和差動電容的電容測量電路，屬于電工電子測量裝置領域。

背景技術

目前電容測量與處理電路大致可分為：調頻法電路、電橋法、直流充放電電路、同步解調器法等。

(1)調頻法也叫振蕩電路法，它是基于電容/頻率轉換的思想來檢測所測電容的。此類方法是將電容傳感器放置于LC或RC諧振回路中組成振蕩電路，當被測電容發生變化時，振蕩電路的振蕩頻率將隨之變化，通過鑒頻電路或計數電路將信號的頻率變化量檢測出來即得到被測電容的變化。該方法具有結構簡單、抗電磁干擾能力強、便于信號傳輸、輸出易于數字化及可獲得高電平輸出的優點。主要存在的問題是：輸出非線性較大；動態特性差。

(2)橋式法也叫調幅法，在較低的頻率經常采用此方法實現電容變化的精確測量。交流電橋將電容式傳感器接入電橋作為四個相鄰臂，通常采用電阻/電容或者電感/電容組成交流電橋，由電容變換轉換為電橋的電壓輸出。再經過放大，檢波以及濾波后，輸出電壓信號。也可以采用差動電容，分別作為比例橋臂，這樣可以進一步提高測量精度，減小非線性誤差。這種方法的測量精度高，靈敏度和穩定性也好，且寄生電容影響小。但是此方法要求一個高阻抗、低溫漂移的運算放大器，這對設計能力和工藝條件來說都具有較高的難度。

(3)直流充放電電路中性能較為優良的電路當屬開關電容電路它通過控制幾個CMOS開關的通斷，對被測電容實行充放電，通過運算放大器A輸出一個與被充放電電容相關的電壓值以達到測量電容的目的，如專利“差動電容測量電路及多量程測量儀(No:88106571.4)”和專利“電容測量電路與方法(No:01143629.8)”。但是該類型的電路往往采用大量的電子開關，而電子開關往往會帶來電荷注入效應導致測量誤差，另外，直流電路必然存在著漂移，這使整體電路容易產生零點不穩的問題。

(4)同步解調器法根據電容變化調制正弦或方波振蕩的振幅并利用低通濾波轉換為測量信號。它使用傳感器電子設備上的脈沖電荷轉移的標準Δ-Σ調制器:在輸入端利用基準電壓操作Δ-Σ調制器并評估在輸入端支路中電容的變化來測量電容值，如專利“電容測量電路、傳感器系統及使用正弦電壓信號測量電容的方法(No:201180049243.9)”。該方法測量精度較高，但需要提供正弦波或方波以及正負電源，因此測量電路復雜，成本較高。

發明內容

針對現有電容測量電路和方法存在的問題，本實用新型公開了一種絕對電容和差動電容測量電路，即一種利用晶體震蕩電路來測量絕對電容和差動電容的電容測量電路。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種絕對電容和差動電容測量電路，包括測量絕對電容的晶體震蕩電路和差動電容測量電路。

所述一種測量絕對電容的晶體震蕩電路，包括兩個NPN三級管Q1和Q2，四個電阻R1、R2、R3和R4，三個已知電容C1、C2和C3，一個電感L1，一個晶體震蕩器Y1，一個反相器U1A和待測電容Cx。

所述待測電容Cx的一號端接地，二號端接晶體震蕩器Y1的一號端；晶體震蕩器Y1的二號端、電阻R1、R2各自一號端和電容C1的一號端相接，并連接到了NPN三級管Q1的基極；電阻R1的二號端接電源VCC，R2的二號端接地，即R1、R2串聯中間抽頭接到了三級管Q1的基極，利用它們對電源VCC的分壓來提供晶體震蕩器Y1的起振電壓。

所述電容C1的二號端、電容C2的一號端、電感L1的一號端和NPN三級管Q1的發射極相接，并連接到了NPN三級管Q2的基極；NPN三級管Q1、Q2的集電極均接到了電源VCC。

所述電容C2的二號端、電感L1的二號端、電容C3的一號端和電阻R3的一號端相接；電容C3的二號端和電阻R3的二號端均與地相接；這樣電容C2和L1就構成一個LC回路，其諧振頻率f₀可由下式計算：式中C2為電容C2的電容值，L1為電感L1的電感值；實際應用中晶體震蕩器的標稱頻率應大于f₀，以使電路起振。

所述NPN三級管Q2的發射極與電阻R4的一號端和反相器U1A的輸入端相連，電阻R4的二號端與地相連；反相器U1A的作用是對輸出波形進行整形，因為NPN三級管Q2的發射極輸出波形為不規則但近似正弦的波形，經反相器U1A整形后輸出信號變為一定頻率的方波。