电容测量电路及电容测量方法与流程

1.本技术实施例涉及微电子领域，特别涉及一种电容测量电路及电容测量方法。


背景技术：

2.电容输出的电容信号往往很小（0.01ff～10pf），电容测量电路中又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，导致电容测量电路的抗干扰能力较差，采集精度同样易受待测电容的前后分布电容影响，因此整个电容测量电路精度较差。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种电容测量电路及电容测量方法，有利于提高电容测量的精度。
4.根据本技术一些实施例，本技术实施例一方面提供一种电容测量电路，包括：激励电路、调节电路以及待测电容，待测电容的两端分别与激励电路的输出端以及调节电路的输入端连接；积分比较电路，调节电路与积分比较电路连接，积分比较电路包括第一时序开关电路、第二时序开关电路、第一放大电路、第二放大电路，第一时序开关电路两端分别与第一放大电路的输入端以及调节电路的输出端连接，第二时序开关电路两端分别与第二放大电路的输入端以及调节电路的输出端连接，第一时序开关电路的开启与第二时序开关电路交替开启；电容检测电路，电容检测电路包括差分放大器以及比较器，差分放大器的同相输入端与第一放大电路的输出端连接，差分放大器的反相输入端与第二放大电路的输出端连接，差分放大器输出端与比较器的输入端连接，比较器的输出端分别与第一放大电路的输入端以及第二放大电路的输入端连接。
5.在一些实施例中，电容检测电路包括：量化电路以及数模转化电路，量化电路包括差分放大器以及比较器，比较器的输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端分别与第一放大电路的输入端以及第二放大电路的输入端连接。
6.在一些实施例中，数模转换电路的输出端与第一放大电路的第一放大器的负极输入端连接，数模转换电路的输出端与第二放大电路的第二放大器的负极输入端连接。
7.在一些实施例中，数模转换电路包括数模转换器，数模转换器基于第一放大电路输出第一输出电压以及第二放大电路输出第二输出电压构成的共模信号分别与第一放大电路的第一放大器的正极输入端、第二放大电路的第一放大器的正极输入端连接。
8.在一些实施例中，第一放大电路包括：第一放大器、第一电容以及第一开关，第一电容的一端分别与第一放大器的负极输入端、第一时序开关电路以及第一开关连接，第一电容的另一端分别与第一放大器的输出端、第一开关的另一端连接。
9.在一些实施例中，第二放大电路包括：第二放大器、第二电容以及第二开关，第二电容的一端分别与第二放大器的负极输入端、第二时序开关电路以及第二开关连接，第二电容的另一端分别与第二放大器的输出端、第二开关的另一端连接。
10.在一些实施例中，调节电路包括：可变电容cint、第三放大器以及第三开关，可变
电容的一端分别与第三放大器的负极输入端、第三开关以及待测电容连接，可变电容的另一端分别与第三放大器的输出端、第三开关的另一端连接；第三放大器的正极输入端输入共模信号。
11.在一些实施例中，第三放大器的输出端的输出电压vout与激励电路输出的激励电压vdrv的关系满足：vout/vdrv=
ꢀ‑ꢀ
(a
×
cs)/[(a 1)
ꢀ×
cint cs]其中，a为第三放大器的运放倍数，cs为待测电容的电容值，cint为可变电容的电容值。
[0012]
在一些实施例中，还包括：激励电容，激励电容的一端与调节电路连接，激励电容的另一端与积分比较电路连接。
[0013]
根据本技术一些实施例，本技术实施例另一方面还提供一种电容测量方法，包括：提供一电容测量电路，电容测量电路为上述任一项的电容测量电路；在电容测量的采样阶段，将待测电容连接激励电路以进行电荷采样，并根据电容控制信号控制第三开关、第一开关以及第二开关为开启状态；在电容测量的积分阶段，将待测电容采集的电荷转移到电容测量电路，并根据电容控制信号控制第一时序开关电路的开启与第二时序开关电路交替开启；将电容测量电路上的积分电荷转换成电压，并根据电压计算出待测电容的电容值。
[0014]
本技术实施例提供的技术方案至少具有以下优点：上述技术方案中，第一放大电路、第二放大电路以及差分放大器构成差分系统。若外部有低频信号的干扰，则这个干扰信号经过激励电路，并进一步传输给第一放大电路、第二放大电路，经过差分放大器的差分运算，低频干扰信号就会被消除，因此整个差分系统具有很强的低频抑制能力。此外，积分比较电路与电容检测电路形成闭环电路，电容采集的信号值经过积分比较电路和电容检测电路的多次比较，实现对通过待测电容电流信号的负反馈控制和转换，使得待测电容电流和参考电容电流的动态平衡，提高了电容检测的稳定性和采集精度。
附图说明
[0015]
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动新的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]
图1为本技术一实施例提供的电容测量电路的电路连接示意图；图2为本技术一实施例提供的电容测量电路的一种局部电路连接示意图；图3为本技术一实施例提供的电容测量电路的另一种局部电路连接示意图；图4为本技术一实施例提供的电容测量电路的一种信号处理的时序图；图5为本技术一实施例提供的电容测量电路的另一种信号处理的时序图。
具体实施方式
[0017]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术
的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
[0018]
图1为本技术一实施例提供的电容测量电路的电路连接示意图；图2为本技术一实施例提供的电容测量电路的一种局部电路连接示意图；图3为本技术一实施例提供的电容测量电路的另一种局部电路连接示意图；图4为本技术一实施例提供的电容测量电路的一种信号处理的时序图；图5为本技术一实施例提供的电容测量电路的另一种信号处理的时序图。
[0019]
参考图1至图5，本技术实施例提供一种电容测量电路，包括：激励电路、调节电路11以及待测电容cs，待测电容cs的两端分别与激励电路的输出端以及调节电路11的输入端连接；积分比较电路20，调节电路11与积分比较电路20连接，积分比较电路20包括第一时序开关电路clk1、第二时序开关电路clk2、第一放大电路21、第二放大电路22，第一时序开关电路clk1两端分别与第一放大电路21的输入端以及调节电路11的输出端连接，第二时序开关电路clk2两端分别与第二放大电路22的输入端以及调节电路11的输出端连接，第一时序开关电路clk1的开启与第二时序开关电路clk2交替开启；电容检测电路，电容检测电路包括差分放大器amp4以及比较器311，差分放大器amp4的同相输入端与第一放大电路21的输出端连接，差分放大器amp4的反相输入端与第二放大电路22的输出端连接，差分放大器amp4输出端与比较器311的输入端连接，比较器311的输出端分别与第一放大电路21的输入端以及第二放大电路22的输入端连接。
[0020]
上述电容测量电路的应用场景可以包括航天、航空、船舰、兵器等军工装备的电容检测中，电容测量电路的应用场景可以还包括笔记本电脑、手机、数码相机等电子设备的电容检测中。
[0021]
在一些实施例中，激励电路的输出端输出激励电压vdrv，激励电路可以为一个激励端，使待测电容cs形成激励信号，进而使待测电容cs的一端输出激励电压vdrv。具体的，激励电路可以为一个电源。
[0022]
在一些实施例中，调节电路11包括：可变电容cint、第三放大器amp3以及第三开关rst3，可变电容cint的一端分别与第三放大器amp3的负极输入端、第三开关rst3以及待测电容cs连接，可变电容cint的另一端分别与第三放大器amp3的输出端、第三开关rst3的另一端连接；第三放大器amp3的正极输入端输入共模信号vcm。
[0023]
在一些实施例中，可变电容cint的电容量在第一范围内可以进行调节，以改变电容测量电路的增益值，提高电容测量最大值与电容测量最小值的差值，进而可以提高电容测量的精度。
[0024]
在一些实施例中，rs为待测电容cs对应的阻抗，rint3为可变电容cint对应的阻抗，根据阻抗的计算公式可以得到以下公式：rs=1/(cs
×
s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1） rint3=1/(cint
×
s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，s=jw，j为单位虚数，w为角速度。
[0025]
根据第三放大器amp3的运放计算公式，可以得到：（vcm-v1）
×
a=vout
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
（v1-vdrv）/rs=（vout-v1）/rint3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，a为第三放大器amp3的运放倍数，第一电压v1为待测电容cs和可变电容cint之间的电压，同时为第三放大器amp3的负端输入端的电压。由上面的4个式子，可以得到式（5），即第三放大器amp3的输出端的输出电压vout与激励电路输出的激励电压vdrv的关系满足：vout/vdrv=
ꢀ‑ꢀ
(a
×
cs)/[(a 1)
×
cint cs]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）由于a的数值一般比较大，通常将电压的数值运放至几千甚至上万倍，以满足放大器自身性能需求。所以可以将式（5）近似为式（6）。
[0026]
vout/vdrv=
ꢀ‑ꢀ
cs/cint
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）由公式（6）可知，我们可以通过给定的激励电压vdrv和可变电容cint，将待测电容cs转化为输出电压vout。同时对于某一个待测电容cs，在相同数值的激励电压vdrv下，可以通过改变可变电容cint的大小，以获得不同的输出电压vout，即改变可变电容cint可以改变电路的增益值。
[0027]
在一些实施例中，第一放大电路21包括：第一放大器amp1、第一电容cint1以及第一开关rst1，第一电容cint1的一端分别与第一放大器amp1的负极输入端、第一时序开关电路clk1以及第一开关rst1连接，第一电容cint1的另一端分别与第一放大器amp1的输出端、第一开关rst1的另一端连接。
[0028]
在一些实施例中，第二放大电路22包括：第二放大器amp2、第二电容cint2以及第二开关rst2，第二电容cint2的一端分别与第二放大器amp2的负极输入端、第二时序开关电路clk2以及第二开关rst2连接，第二电容cint2的另一端分别与第二放大器amp2的输出端、第二开关rst2的另一端连接。
[0029]
在一些实施例中，参考图4，第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3为同一控制单元控制，即图4中所示的rst可以视为第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3的任一项。若开关rst输出为高电平时，第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3为接通状态，即电容测量电路不进行工作；若开关rst输出为低电平时，第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3为断开状态，即电容测量电路开始工作。开关rst的一个周期，即为电容测量的一个周期。第一时序开关电路clk1输出为高电平时，第一时序开关电路clk1处于接通状态，反之，第一时序开关电路clk1输出为低电平时，第一时序开关电路clk1处于开启状态。同理，第二时序开关电路clk2输出为高电平时，第二时序开关电路clk2处于接通状态；第二时序开关电路clk2输出为低电平时，第二时序开关电路clk2处于开启状态。
[0030]
在一些实施例中，按照图4的时序图，当第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3断开状态时，电容测量电路开始工作。第一时序开关电路clk1、第二时序开关电路clk2处于接通的状态时，分别对第一电容cint1、第二电容cint2充电，电容测量电路完成对待测电容cs的采样，即得到对应的vout值。具体地，在第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3处于断开状态时，第一时序开关电路clk1处于接通状态，第二时序开关电路clk2处于开启的状态时，对第一电容cint1充电。则对于给定的激励电容cdrv以及第一电容cint1，可以通过公式（7），得到经过第二级运放后的第一输出电压v2。结合公式（7）和公式（6），可以得到式公式（8），即对于指定的激励电压vdrv、第一电容cint1以及可变电容cint，可以根据公式（8）得到待测电容cs经过两次放大的第一输出电压v2。实现待测电容cs的电
容信号到电压信号的转换。
[0031]
v2/vout=-cdrv/cint1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）v2/vdrv=cs
×
cdrv/(cint
×
cint1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）同理，经过第二放大电路22，在第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3处于断开状态时，第一时序开关电路clk1处于开启状态，第二时序开关电路clk2处于接通的状态时，对第二电容cint2充电。则对于给定的激励电容cdrv以及第二电容cint2，可以通过公式（9），得到经过第二级运放后的第二输出电压v3。结合公式（9）和公式（6），可以得到式公式（10），即对于指定的激励电压vdrv、第二电容cint2以及可变电容cint，可以根据公式（10）得到待测电容cs经过两次放大的第二输出电压v3。
[0032]
v3/vout=
ꢀ‑ꢀ
cdrv/cint2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）v3/vdrv=cs
×
cdrv/(cint
×
cint2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）可以理解的是，第一放大电路21的组成结构、第二放大电路22的组成结构、第一放大电路21以及第二放大电路22各元件的连接关系均相同或相似，所以可以通过改变第一电容cint1和/或第二电容cint2的电容值以改变电路的增益值。
[0033]
参考图5，对于输出电压vout的取样过程如图5的时序所示。对于变化的激励信号vdrv，输出电压vout会产生相应的变化，如图5中的输出电压的vout时序波形。具体地，当第一时序开关电路clk1为高电平、第二时序开关电路clk2为低电平时，则第一时序开关电路clk1对应的开关接通以及第二时序开关电路clk2对应的开关断开，在上升沿处第一电容cint1实现电荷转移，第二电容cint2没有动作，则积分比较电路20输出第一放大电路21输出待测电容cs对应的经过两次放大的第一输出电压v2，即第一放大器amp1对输出电压vout的低电压采样放大；而第一时序开关电路clk1为低电平、第二时序开关电路clk2为高电平时，则第一时序开关电路clk1对应的开关接通以及第二时序开关电路clk2对应的开关断开，在上升沿处第一电容cint1没有动作，第二电容cint2实现电荷转移，则积分比较电路20输出第二放大电路22输出待测电容cs对应的经过两次放大的第二输出电压v3，即第二放大器amp2对输出电压vout的高电压采样放大。通过这种时序的控制，实现对输出电压vout信号的差分取样处理。
[0034]
在一些实施例中，电容检测电路包括：量化电路31以及数模转化电路，量化电路31包括差分放大器amp4以及比较器311，比较器311的输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端分别与第一放大电路21的输入端以及第二放大电路22的输入端连接。
[0035]
在一些实施例中，量化电路31还包括第四放大电路、第五放大电路、第一测量电路以及第二测量电路。第四放大电路包括第四电容cint4、第四开关rst4，第四电容cint4的一端分别与差分放大器amp4的同相输入端以及第四开关rst4连接，第四电容cint4的另一端分别与差分放大器amp4的输出端、第四开关rst4的另一端连接。第五放大电路包括第五电容cint5、第五开关rst5，第五电容cint5的一端分别与差分放大器amp4的反相输入端以及第五开关rst5连接，第五电容cint5的另一端分别与差分放大器amp4的输出端、第五开关rst5的另一端连接。第一测量电路用于采集第一输出电压v2的电容值c1，第二测量电路用于采集第二输出电压v3的电容值c2。第一测量电路的一端与第一放大电路21连接，另一端与数模转换电路连接；第一测量电路包括相连接的第三时序开关电路clk3以及第一子电容
c1。第二测量电路的一端与第二放大电路22连接，另一端与数模转换电路连接；第二测量电路包括相连接的第四时序开关电路clk4以及第二子电容c2。
[0036]
在一些实施例中，数模转换电路的输出端与第一放大电路21的第一放大器amp1的负极输入端连接，数模转换电路的输出端与第二放大电路22的第二放大器amp2的负极输入端连接。
[0037]
在一些实施例中，数模转换电路包括数模转换器321，数模转换器321基于第一放大电路21输出第一输出电压v2以及第二放大电路22输出第二输出电压v3构成的共模信号vcm分别与第一放大电路21的第一放大器amp1的正极输入端、第二放大电路22的第一放大器amp1的正极输入端连接。
[0038]
在一些实施例中，参考图3，通过第一放大器amp1、第二放大器amp2、差分放大器amp4、比较器311以及数模转换器321，第一放大电路21的第一电容cint1、第二放大电路22的第二电容cint2以及第一开关rst1、第二开关rst2等，共同构成一个sigma-delta（σ-δ）的测量电路，或者构成一个反馈环路。第一放大器amp1、第二放大器amp2的正极输入端模拟输入共模信号vcm，第一放大器amp1、第二放大器amp2的负极输入端模拟输入反馈信号（误差信号），然后第一放大器amp1、第二放大器amp2对输入的共模信号vcm以及反馈信号进行差动（delta）比较。该比较产生的差动输出馈送到差分放大器amp4（sigma）中。然后将差分放大器amp4的输出馈送到比较器311中。每次第一放大器amp1和第二放大器amp2的交替运算都会使第一输出电压v2、第二输出电压v3的相互差值减小。然后通过比较器311运算后输出的运算的比较结果comp_out、记录第一输出电压v2的第一子电容c1、第二输出电压v3的第二子电容c2一起传输给数模转换器321。所以，每次的比较结果comp_out都会在数模转换器321中形成一个数字信号，同时反馈给第一放大器amp1和第二放大器amp2的负极输入端。经过多个第一时序开关电路clk1以及第二时序开关电路clk2交替开启周期的比较后，从而得到待测电容cs具有一定精度的电容值，同时积分比较电路与电容检测电路形成闭环电路，电容采集的信号值经过积分比较电路和电容检测电路的多次比较，实现对通过待测电容电流信号的负反馈控制和转换，使得待测电容电流和参考电容电流的动态平衡，提高了电容检测的稳定性和采集精度。
[0039]
当第一开关rst1、第二开关rst2以及第三开关rst3为闭合状态时，第一电容cint1、第二电容cint2以及可变电容cint进行放电或者电荷转移。由于放大器的闭环特性，第三放大器amp3负极输入端输入的第一电压v1、第一放大器amp1负极输入端输入的第一输出电压v2，第二放大器amp2负极输入端输入的第二输出电压v3均变为共模信号vcm，从而恢复到电容采样之前的状态，即完成电容测量电路的一次采样计算过程。
[0040]
此外，若外部有低频信号的干扰，这个干扰信号经过激励电路，并进一步传输给第一放大电路21、第二放大电路22，经过差分放大器amp4的差分运算，低频干扰信号就会被消除，因此整个差分系统具有很强的低频抑制能力。
[0041]
在一些实施例中，还包括：激励电容cdrv，激励电容cdrv的一端与调节电路11连接，激励电容cdrv的另一端与积分比较电路20连接。
[0042]
本技术实施例提供的技术方案中，第一放大电路21、第二放大电路22以及差分放大器amp4构成差分系统。若外部有低频信号的干扰，则这个干扰信号经过激励电路，并进一步传输给第一放大电路21、第二放大电路22，经过差分放大器amp4的差分运算，低频干扰信
号就会被消除，因此整个差分系统具有很强的低频抑制能力。此外，积分比较电路20与电容检测电路形成闭环电路，电容采集的信号值经过积分比较电路20和电容检测电路的多次比较，实现对通过待测电容cs电流信号的负反馈控制和转换，使得待测电容电流和参考电容电流的动态平衡，提高了电容检测的稳定性和采集精度。
[0043]
相应地，本技术一些实施例另一方面提供一种电容测量方法，包括：提供一电容测量电路，电容测量电路为上述实施例的电容测量电路；在电容测量的采样阶段，将待测电容连接激励电路以进行电荷采样，并根据电容控制信号控制第三开关rst3、第一开关rst1以及第二开关rst2为开启状态；在电容测量的积分阶段，将待测电容采集的电荷转移到电容测量电路，并根据电容控制信号控制第一时序开关电路clk1的开启与第二时序开关电路clk2交替开启；将电容测量电路上的积分电荷转换成电压，并根据电压计算出待测电容的电容值。电容测量方法的过程在上述实施例中进行详细说明，这里就不做过多赘述。
[0044]
相应地，本技术一些实施例又一方面提供一种电子设备，包括上述实施例的电容测量电路。
[0045]
在一些实施例中，电子设备可以为笔记本电脑、手机、数码相机等。
[0046]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。