[發明專利]一種可調偏壓的陣列精密電容的同步測量系統及方法

有效

• 申請號: 202110375742.2
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113125926B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 王自鑫;陳潤明;陳弟虎;黃俊龍;胡炳翔;梁言;蔡志崗
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 劉俊

本發明公開了一種可調偏壓的陣列精密電容的同步測量系統及方法，其測量系統包括數字信號處理子系統、模擬鏈路子系統和待測電容測試子系統；本發明在外加偏置電壓的條件下，能對陣列精密電容實現在線同步測量，通過不同頻率的激勵信號給到不同的待測電容，通過不同的待測電容后匯聚成一個包括復數個頻率分量的第二合成波模擬信號，之后將包括復數個頻率分量的第二合成波數字信號輸入數字信號處理子系統進行并行解調，也確保了待測電容在測試時間上的匹配，提高了電容測量效率。

技術領域

本發明涉及電容測量技術領域，更具體的，涉及一種可調偏壓的陣列精密電容的同步測量系統及方法。

背景技術

在各種工業應用和科學研究場景中電容測量是一個重要的研究領域，尤其是對電容式傳感器而言，需要低至皮法級的精密電容測量方法。除了待測電容小的特點外，一些電容工作在幾十伏甚至上百伏的直流電壓之下，同時要求對多個電容進行同時測量。

目前主要有這幾種電容測量方法：振蕩法、直流充放電法、電橋法、交流激勵法。

其中，基于振蕩的方法是將待測電容和外加電感或電阻組成自激振蕩電路，通過測量電路振蕩信號頻率間接求出待測電容大小，如中國專利公開號：CN105277790A，公開日：2016-01-27，公開了提供了一種振蕩回路中基于阻尼振蕩波的電阻、電感和電容的測量方法，該方法采用了改進的離散傅里葉算法，實現了電阻、電感和電容參數的高精度測量；其中，對檢測電壓信號進行窗函數處理，可以有效的抑制標準離散傅里葉變換中截斷效應的影響，提高傅里葉變換精度，進而提高電阻、電感和電容參數的測量精度。

基于直流充放電的方法是將待測電容充至電源電壓，再放電至設定的電壓，通過時間數字轉換器測得放電時間可計算待測電容大小；如中國專利公開號：CN103499743A，公開日：2014-01-08，公開了一種高精度測量電阻電容的系統及電路，該系統包括：輸入方波信號發生單元，電平轉換電路單元、二次充電電路單元、二次放電電路單元、邏輯處理單元、比較電路單元，脈寬信號計時單元。

基于電橋的方法將待測電容放在一個橋臂上，通過不斷調節橋臂上的參考阻抗直到電橋平衡；如中國專利公開號：CN104296786A，公開日：2015-01-21，公開了一種數字電橋電容測量模塊，通過下述技術方案予以實現：平衡橋臂與測量橋臂交流信號相位差180°組成數字平衡機構；激勵源單元產生3種信號，其中0°相位驅動信號驅動同步放大電路把正交濾波測量信號送入零位平衡單元產生再平衡監控信號；AC參考信號驅動電容平衡橋臂電路，AC激勵信號分時驅動BITE檢測橋臂電路，把平衡橋臂與測量橋臂兩個相位差180°的交流信號通過求和電路求和，經帶通濾波電路濾波為0°、90°相位驅動信號，CPU控制單元對零位平衡單元中的D/A轉換器進行平衡控制，用D/A轉換器的數據與CPU控制單元內預存的理論數據進行比較，CPU控制單元以檢測到平衡橋臂與測量橋臂達到平衡時的D/A轉換器數據作為當前測量的電容值。

基于交流激勵的方法是將待測電容和一個參考電容進行串聯，輸入固定頻率的交流激勵信號，根據電容分壓計算待測電容大小，如中國專利公開號：CN108333437A，公開日：2018-07-27，公開了一種微小電容測量系統，其包括一信號發生模塊、一電容/電壓變換模塊、一信號采集處理模塊、一CPU及一通信模塊，所述信號發生模塊包括DDS正弦信號發生器及數模轉換器，所述信號采集處理模塊包括程控放大器、模數轉換器及數字解調器，所述DDS正弦信號發生器輸出端依次串聯數模轉換器、電容/電壓變換模塊、程控放大器、模數轉換器、數字解調器及CPU，所述數字解調器的另一端信號輸入端口連接DDS正弦信號發生器，所述CPU還分別與DDS正弦信號發生器、程控放大器及通信模塊相連。

以上幾種方法中均存在不同程度的缺點具體如下：振蕩法結構較為簡單但受寄生參數的影響穩定性不高；直流充放電法和電橋法能夠獲得較高的電容測量分辨率，但不適合快速測量的應用，并且難以在外加偏壓的情況下進行在線測量；采用常見結構的電容分壓交流激勵法，測量速度較高但難以做到多電容測量的電路匹配。