一種電容容值測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容容值測量裝置及測量方法，設(shè)置有選通電路、RC電路、計(jì)時(shí)器和兩個(gè)用于外接待測電容的電極；所述選通電路首先切換至第一路參考電壓與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓對所述的已知電容和待測電容充電，待所述已知電容和待測電容充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓與所述的RC電路連通，所述第二路參考電壓與第一路參考電壓的極性相反，控制所述已知電容和待測電容放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，根據(jù)記錄的放電時(shí)間計(jì)算出待測電容的電容值。本發(fā)明借助已知電容的電容值所對應(yīng)的量化時(shí)間值，反推出待測電容的電容值，不僅測量算法簡單，測量精度高，而且所需搭建的硬件電路簡潔，成本低廉，可以方便地集成到普通的萬用表中。
【專利說明】一種電容容值測量裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電容檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種用于檢測電容的電容值的測量裝置及測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在電子工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，萬用表可以說是每一個(gè)電子工程師必備的測量工具。但是，目前一般的萬用表只能測量電壓、電阻和電流等參數(shù)，很少有萬用表具有測量電容容值的功能。少數(shù)能夠測試電容容值的萬用表，其價(jià)格往往比較昂貴，市場售價(jià)一般都在幾千元左右，而且測量出的電容容值往往也不夠準(zhǔn)確，因此，實(shí)際使用情況并不理想。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種用于對被測電容的電容值實(shí)現(xiàn)檢測的測量裝置及測量方法，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
一方面，本發(fā)明提供了一種電容容值測量裝置，設(shè)置有選通電路、RC電路、計(jì)時(shí)器、處理器和兩個(gè)電極；所述的兩個(gè)電極分別與RC電路中已知電容的兩端對應(yīng)連接；在對被測電容進(jìn)行測量時(shí)，將兩個(gè)所述的電極分別與待測電容的兩端對應(yīng)連接，所述選通電路首先切換至第一路參考電壓與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓對所述的已知電容和待測電容充電，待所述已知電容和待測電容充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓與所述的RC電路連通，所述第二路參考電壓與第一路參考電壓的極性相反，控制所述已知電容和待測電容放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄所述已知電容和待測電容的放電時(shí)間Tt ;所述處理器根據(jù)公式計(jì)算出所述待測電容的電容值Ca;其中，C。為所述已知電容的電容值；Tc為利用所述第一路參考電壓為所述已知電容單獨(dú)充電時(shí)，待已知電容充滿電后，已知電容所需的放電時(shí)間。
[0005]為了提高測量精度，在所述測量裝置上還設(shè)置有校準(zhǔn)按鍵，連接所述的處理器；所述處理器在檢測到校準(zhǔn)按鍵按下時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式，即:處理器首先控制所述選通電路切換至第一路參考電壓與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓單獨(dú)對所述的已知電容充電，待所述已知電容充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓與所述的RC電路連通，控制所述已知電容放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄所述已知電容的放電時(shí)間T。；所述處理器根據(jù)公式:Te=2*R*C。，計(jì)算出所述已知電容的電容值C。；其中，R為所述RC電路中電阻的阻值。
[0006]為了使測量人員能夠清楚地了解測量裝置當(dāng)前的工作狀態(tài)，本發(fā)明在所述測量裝置上還設(shè)置有指示燈，連接所述的處理器；所述處理器在進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式后，控制所述的指示燈閃爍，直到處理器計(jì)算出所述已知電容的電容值C。后，控制所述指示燈常亮，表示校準(zhǔn)完成。而后，測量人員便可將電極連接到待測電容的兩端，開始對待測電容的電容值進(jìn)行測量。由于已知電容的電容值C。已校準(zhǔn)，因此，測量出的待測電容的電容值(；可以保證理想的測量精度。
[0007]為了使系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷出所述電容充電結(jié)束的時(shí)刻，所述選通電路在將所述第一路參考電壓與RC電路連通時(shí)，啟動(dòng)所述計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出或者計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值Tc時(shí)，所述Tc>2R (Ca+ C。)，判定與所述第一路參考電壓連通的電容充電結(jié)束，輸出信號(hào)控制所述選通電路切換至第二路參考電壓；設(shè)置所述計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出的時(shí)間大于2R (Ca+C。)，以保證與所述第一路參考電壓連通的電容充滿電，進(jìn)而提高電容容值的檢測精度。
[0008]為了使系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷出電容放電結(jié)束的時(shí)刻，所述RC電路優(yōu)選采用RC積分電路，包括運(yùn)算放大器、電阻和所述的已知電容；所述運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，反相輸入端與所述電阻串聯(lián)后，連接至所述的選通電路，用于與所述的第一路參考電壓或者第二路參考電壓連通；所述已知電容連接在所述運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間；所述處理器在所述已知電容和待測電容放電時(shí)，檢測運(yùn)算放大器輸出的電平狀態(tài)，當(dāng)檢測到電平的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，判定已知電容和待測電容放電結(jié)束，控制所述計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并記錄當(dāng)前的計(jì)時(shí)時(shí)間為所述的放電時(shí)間Tt。
[0009]為了使處理器能夠準(zhǔn)確地檢測出通過所述運(yùn)算放大器輸出的電平是否發(fā)生了極性反轉(zhuǎn)，本發(fā)明在所述RC積分電路中還設(shè)置有一比較器，所述比較器的反相輸入端連接所述運(yùn)算放大器的輸出端，比較器的同相輸入端接地，比較器的輸出端連接所述的處理器，所述處理器根據(jù)比較器輸出的高低電平變化，判定所述已知電容和待測電容是否放電結(jié)束。
[0010]為了進(jìn)一步簡化電路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明優(yōu)選將所述計(jì)時(shí)器集成在所述的處理器中，所述第一路參考電壓為正極性電壓，所述第二路參考電壓為負(fù)極性電壓，且幅值等于第一路參考電壓；所述比較器的輸出端連接處理器的中斷接口，在通過所述比較器輸出的電平由高電平跳變?yōu)榈碗娖?零電平)時(shí)觸發(fā)處理器進(jìn)入中斷，控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并進(jìn)行所述待測電容的電容值(；的計(jì)算。
[0011]作為所述選通電路的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明在所述選通電路中設(shè)置有兩個(gè)開關(guān)管，兩個(gè)開關(guān)管的控制極接收處理器輸出的通路切換信號(hào)，兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)通路分別連接在所述第一路參考電壓與RC電路之間或者連接在所述第二路參考電壓與RC電路之間，實(shí)現(xiàn)對兩路參考電壓的選通切換。
[0012]另一方面，本發(fā)明還提供了一種電容容值測量方法，首先將待測電容并聯(lián)在RC電路中的已知電容的兩端，利用參考電壓對所述的已知電容和待測電容充電，待充電結(jié)束后，切斷所述的參考電壓，控制所述已知電容和待測電容放電，并記錄所述已知電容和待測電容的放電時(shí)間Tt ;代入公式{^(^^/^-(^計(jì)算出所述待測電容的電容值^ ;其中，C。為所述已知電容的電容值；τ。為利用所述參考電壓為所述已知電容單獨(dú)充電時(shí)，待已知電容充滿電后，已知電容所需的放電時(shí)間。
[0013]為了提高測量精度，在對所述待測電容進(jìn)行容值測量前，首先對所述的已知電容進(jìn)行校準(zhǔn)，過程為:首先利用所述的參考電壓單獨(dú)對所述的已知電容充電，待充電結(jié)束后，切斷所述的參考電壓，控制所述已知電容放電，并記錄所述已知電容的放電時(shí)間Τ。；利用公式:Te=2*R*C。，計(jì)算出所述已知電容的電容值C。；其中，R為所述RC電路中電阻的阻值。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:本發(fā)明針對電容的容值所提出的測量裝置和測量方法，通過將待測電容的電容值量化為時(shí)間值，然后借助已知電容的電容值所對應(yīng)的量化時(shí)間值，反推出所述待測電容的電容值，不僅測量算法簡單，軟件實(shí)現(xiàn)容易，性能穩(wěn)定，而且電容值的測量精度高，所需搭建的硬件電路簡潔，成本低廉，可以方便地集成到普通的萬用表中，在使萬用表具有電容測量功能的同時(shí)，不會(huì)造成萬用表價(jià)格的明顯提升。
[0015]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明所提出的電容容值測量裝置的一種實(shí)施例的電路原理框圖；
圖2是本發(fā)明所提出的電容容值測量裝置的另外一種實(shí)施例的電路原理框圖；
圖3是圖2所示電路原理框圖所對應(yīng)的一個(gè)具體實(shí)施例的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0018]本實(shí)施例為了簡化電容容值測量裝置的軟硬件設(shè)計(jì)，提出了一種將電容值量化為時(shí)間值的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)時(shí)間值的不同反推出該時(shí)間值所對應(yīng)的電容值。具體來說，可以首先將已知電容的電容值C。量化為時(shí)間值T。，然后將待測電容與已知電容的電容值之和量化為時(shí)間值Tt，進(jìn)而利用電容值與時(shí)間值的對應(yīng)關(guān)系:(c+cc)，即可反推出所述待測電容的電容值
[0019]為了將電容值量化為時(shí)間值，本實(shí)施例采用對電容充放電的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。具體來講，可以首先選擇一路參考電壓VKEF對RC電路中的已知電容C。充電，待所述已知電容Cc充滿電后，控制所述已知電容C。放電，并記錄所述已知電容C。所需的放電時(shí)間，記為T。。
[0020]在本實(shí)施例中，考慮到已知電容C。上的充電電壓永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)VKEF，只是充電時(shí)間越長，已知電容C。上的電壓越接近％@。為了保證計(jì)算結(jié)果的有效性，本實(shí)施例定義當(dāng)已知電容C。上的電壓達(dá)到90%*Vkef以上時(shí)，就認(rèn)為已知電容C。已充滿電。為了進(jìn)一步提高電容測量的準(zhǔn)確性，可以將對所述已知電容C。充電的時(shí)間設(shè)定得盡量長些，至少應(yīng)設(shè)置充電時(shí)間Tc>2R (Ca+C。)，例如設(shè)定成2.5R (Ca+Cc)、3R (Ca+C。)或者更長的時(shí)間，以保證已知電容C。以及在后續(xù)對待測電容(；進(jìn)行容值測量時(shí)，已知電容C。和待測電容Ca都能充滿電。待已知電容C。充電結(jié)束后，切斷參考電壓VKEF，控制所述已知電容C。放電，并記錄所述已知電容C。的放電時(shí)間T。。所述放電時(shí)間T。即已知電容C。從開始放電到已知電容C。上的電荷為0時(shí)所需的時(shí)間。然后，利用電容的充放電公式:Te=2*R*C。，即可計(jì)算出所述已知電容Cc的電容值。公式中，R為所述RC電路中電阻的阻值。
[0021]得到參數(shù)T。和C。后，就可以對待測電容Ca進(jìn)行容值測試了。具體過程是:首先將待測電容ca并聯(lián)在已知電容C。的兩端，然后利用參考電壓VKEF同時(shí)為所述的待測電容ca和已知電容C。充電，待待測電容Ca和已知電容C。充滿電后，切斷所述的參考電壓VKEF，控制待測電容ca和已知電容C。放電，并記錄兩個(gè)電容均放電完畢所需的放電時(shí)間Tt ;利用公式:Ca=Cc*Tt/Tc-Cc,即可計(jì)算出待測電容ca的電容值。
[0022]基于上述電容容值測量方法，本實(shí)施例提出了一種電容容值測量裝置，以實(shí)現(xiàn)對待測電容的電容值的自動(dòng)、準(zhǔn)確測量。
[0023]參見圖1所示，本實(shí)施例的電容容值測量裝置主要設(shè)置有選通電路、RC電路、計(jì)時(shí)器、處理器和兩個(gè)電極CAP1、CAP2。其中，所述選通電路用于在兩路參考電壓VKEF+、VKEF-之間進(jìn)行選通切換，其兩路選通端分別與第一路參考電壓VKEF+和第二路參考電壓VKEF-對應(yīng)連接，公共端連接RC電路，控制端接收處理器輸出的切換信號(hào)。在本實(shí)施例中，所述第一路參考電壓VKEF+和第二路參考電壓VKEF-的極性相反，幅值最好相等，即第一路參考電壓VKEF+和第二路參考電壓VKEF-的絕對值相等。在對待測電容(；進(jìn)行容值測量時(shí)，首先將待測電容的兩端與所述的兩個(gè)電極CAP1、CAP2 一一對應(yīng)連接，通過處理器輸出切換信號(hào)首先控制選通電路將第一路參考電壓VKEF+與RC電路連通，利用第一路參考電壓VKEF+對RC電路中的已知電容C。和待測電容Ca充電。與此同時(shí)，處理器啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出或者計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值Tc時(shí)，輸出信號(hào)至處理器。所述處理器在接收到計(jì)時(shí)器反饋的信號(hào)后，便可判定所述已知電容C。和待測電容Ca充電結(jié)束。為了保證已知電容C。和待測電容(；能夠充滿電，本實(shí)施例設(shè)置所述計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出的時(shí)間大于2R(Ca+C。)，或者設(shè)置所述設(shè)定值Tc>2R (Ca+C。)，最好設(shè)置所述充電時(shí)間能夠達(dá)到3R (Ca+C。)或者4R (Ca+C。)，以保證電容Ca和C。上的充電電壓基本等于所述的第一路參考電壓VKEF+。
[0024]當(dāng)處理器檢測到電容(；和(；充電結(jié)束后，輸出切換信號(hào)(這里的切換信號(hào)也可以直接由計(jì)時(shí)器輸出提供)至選通電路，控制選通電路切換至第二路參考電壓VKEF_與所述的RC電路連通，以控制已知電容C。和待測電容Ca放電。與此同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)，待電容Ca和C。上的電荷均減少為0時(shí)，電容Ca和C。放電結(jié)束，處理器控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，記錄所述電容ca和C。的放電時(shí)間Tt。
[0025]而后，處理器根據(jù)接收到的放電時(shí)間Tt以及事先保存的已知電容C。的電容值和利用所述第一路參考電壓vKEF+為所述已知電容C。單獨(dú)充電時(shí)，待已知電容C。充滿電后，已知電容c。所需的放電時(shí)間T。，利用公式即可計(jì)算出所述待測電容Ca的電容值。為了方便檢測人員查看，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)顯示屏，連接所述的處理器，以顯示測量結(jié)果。
[0026]考慮到隨著裝置使用時(shí)間的延長，已知電容C。會(huì)隨著時(shí)間、溫度等外部因素的影響而改變其電容值，若使用一段時(shí)間后不校準(zhǔn)，勢必會(huì)出現(xiàn)測量精度不夠的問題。為了提高電容測量的精度，最好在裝置使用一段時(shí)間后，對裝置中已保存的參數(shù)c。、T。進(jìn)行校準(zhǔn)，然后再對待測電容匕進(jìn)行測量。
[0027]為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的，本實(shí)施例在裝置上設(shè)置校準(zhǔn)按鍵和指示燈，連接所述的處理器。處理器在檢測到校準(zhǔn)按鍵被按下時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式，并點(diǎn)亮指示燈，對裝置當(dāng)前的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。
[0028]所述自動(dòng)校準(zhǔn)模式的具體工作過程是:在不外接待測電容Ca的情況下，處理器首先控制所述選通電路切換至第一路參考電壓VKEF+與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓VKEF+單獨(dú)對所述的已知電容C。充電。待所述已知電容C。充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓VKEF-與所述的RC電路連通，控制所述已知電容C。放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄所述已知電容C。的放電時(shí)間T。。所述處理器根據(jù)公式:Te=2*R*C。，即可計(jì)算出所述已知電容C。的電容值。將所述參數(shù)(；、Τ。保存下來，替換系統(tǒng)中原來保存的相應(yīng)參數(shù)，用于后續(xù)待測電容Ca的測量過程中，以提高待測電容Ca的測量精度。
[0029]在裝置進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式后，處理器控制所述的指示燈閃爍，對系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)進(jìn)行指示，直到處理器計(jì)算出所述已知電容C。的電容值后，控制所述指示燈常亮，表示校準(zhǔn)完成，可以進(jìn)入待測電容的測試模式了。
[0030]為了方便處理器判斷已知電容C。或者已知電容(；+待測電容Ca何時(shí)放電結(jié)束，本實(shí)施例優(yōu)選將所述RC電路設(shè)計(jì)成RC積分電路的形式，參見圖2所示，所述的計(jì)時(shí)器可以集成在處理器MCU中，以進(jìn)一步簡化電路設(shè)計(jì)。
[0031]圖3為所述RC積分電路和選通電路的一種優(yōu)選電路組建結(jié)構(gòu)，其中，在所述選通電路中可以設(shè)計(jì)兩個(gè)開關(guān)管Ql、Q2，以N溝道M0S管為例進(jìn)行說明。將兩個(gè)N溝道M0S管Q1、Q2的柵極分別與處理器MCU的兩路GP10 口——對應(yīng)連接，接收處理器MCU輸出的兩路切換信號(hào)MCU_SWITCH1、MCU_SWITCH2,以控制兩個(gè)N溝道M0S管Ql、Q2錯(cuò)時(shí)導(dǎo)通。將M0S管Q1的漏極連接第一路參考電壓VKEF+，源極連接RC積分電路中的電阻R ;將M0S管Q2的漏極連接第二路參考電壓VKEF-，源極也連接至RC積分電路中的電阻R。在本實(shí)施例中，所述第一路參考電壓VKEF+為正極性的直流電壓，所述第二路參考電壓VKEF-為負(fù)極性的直流電壓，且兩路參考電壓的絕對值相等。
[0032]在所述RC積分電路中設(shè)置有運(yùn)算放大器U138、比較器U155和所述的電阻R、已知電容C。。將所述運(yùn)算放大器U138的同相輸入端+接地，反相輸入端-通過串聯(lián)的電阻R連接至所述的選通電路，用于連接通過選通電路切換接通的第一路參考電壓VKEF+或者第一路參考電壓VKEF-。將所述已知電容C。連接在運(yùn)算放大器U138的反相輸入端-與輸出端之間，運(yùn)算放大器U138的電源端連接直流電源VDD，接地端連接系統(tǒng)地。將所述比較器U155的反相輸入端-連接至運(yùn)算放大器U138的輸出端，比較器U155的同相輸入端+接地，比較器U155的輸出端連接處理器MCU，比較器U155的電源端連接直流電源VDD，接地端連接系統(tǒng)地。處理器MCU根據(jù)比較器U155輸出的電平的高低狀態(tài)，即可準(zhǔn)確地判斷出已知電容Cc或者已知電容(；+待測電容Ca是否放電結(jié)束。
[0033]在本實(shí)施例中，為了使處理器MCU能夠快速響應(yīng)比較器U155輸出的高低電平變化，優(yōu)選將比較器U155的輸出端連接至處理器MCU的一路中斷接口 MCU_INTERRUPT，采用控制處理器MCU進(jìn)入中斷的方式，來使處理器快速地進(jìn)入后續(xù)的處理程序。
[0034]圖3中，S100為校準(zhǔn)按鍵，連接在處理器MCU的一路GP10 口 MCU_10與系統(tǒng)地之間，且將MCU_10 口通過上拉電阻R200連接直流電源VDD。D100為指示燈，可以選用發(fā)光二極管，將發(fā)光二極管D100的陽極連接處理器MCU的另外一路GP10 口 MCU_LED，陰極通過限流電阻R100接地。CAP1、CAP2為用于外接待測電容的兩個(gè)電極，其中，電極CAP1連接運(yùn)算放大器U138的反相輸入端_，電極CAP2連接運(yùn)算放大器U138的輸出端。
[0035]下面對圖3所示的電容容值測量電路的工作原理進(jìn)行具體闡述。
[0036]首先，對測量裝置中的已知電容的容值參數(shù)C。和放電時(shí)間T。進(jìn)行校準(zhǔn)。按下校準(zhǔn)按鍵S100，此時(shí)處理器MCU檢測到其MCU_10 口的電位由原來的高電平變?yōu)榈碗娖剑刂葡到y(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式。系統(tǒng)在進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式后，處理器MCU首先通過其MCU_LED 口輸出PWM信號(hào)，控制發(fā)光二極管D100閃爍，指示系統(tǒng)當(dāng)前正處于參數(shù)校準(zhǔn)工作狀態(tài)。然后，處理器MCU將其輸出的切換信號(hào)MCU_SWITCH1置為高電平、MCU_SWITCH2置為低電平，繼而控制M0S管Q1飽和導(dǎo)通，M0S管Q2截止。此時(shí)，第一路參考電壓VKEF+與RC積分電路接通，第一路參考電壓VKEF+通過電阻R給已知電容C。充電，使已知電容C。連接運(yùn)算放大器U138反相輸入端-的一側(cè)為正極，連接運(yùn)算放大器U138輸出端的一側(cè)為負(fù)極。此時(shí)，運(yùn)算放大器U138輸出負(fù)電壓，經(jīng)由比較器U155輸出高電平，進(jìn)而控制處理器MCU進(jìn)入中斷程序。處理器MCU進(jìn)入中斷后，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)滿開始溢出(或者計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值Tc>2R (Ca+C。))時(shí)，表明此時(shí)已知電容C。上的電壓已經(jīng)基本達(dá)到了第一路參考電壓VKEF+的值。此時(shí)，處理器MCU將切換信號(hào)MCU_SWITCH1置為低電平、MCU_SWITCH2置為高電平，繼而控制MOS管Q1截止，MOS管Q2飽和導(dǎo)通，從而切斷第一路參考電壓VKEF+與RC積分電路的連接，轉(zhuǎn)為第二路參考電壓VKEF-與所述的RC積分電路連通。當(dāng)處理器MCU輸出高電平有效的切換信號(hào)MCU_SWITCH2控制MOS管Q2飽和導(dǎo)通時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)所述的計(jì)時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)。由于接入到RC積分電路中的參考電壓VKEF-為負(fù)電壓，因此已知電容C。通過電阻R向第二路參考電壓VKEF-放電。當(dāng)已知電容C。放電結(jié)束時(shí)，已知電容C。上的電壓為零，第二路參考電壓VKEF-開始對已知電容C。充電，使已知電容C。連接運(yùn)算放大器U138反相輸入端-的一側(cè)為負(fù)極，連接運(yùn)算放大器U138輸出端的一側(cè)為正極。此時(shí)，運(yùn)算放大器U138輸出正電壓，經(jīng)由比較器U155輸出低電平，即0電平。當(dāng)處理器MCU檢測到通過比較器U155輸出的電壓變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，判定已知電容C。放電結(jié)束，控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并將計(jì)時(shí)器記錄的計(jì)時(shí)時(shí)間作為已知電容C。的放電時(shí)間，記為T。。然后，處理器MCU根據(jù)計(jì)算公式:Te=2*R*C。，計(jì)算出所述已知電容C。的電容值。保存所述的參數(shù)C。和T。，完成校準(zhǔn)過程。當(dāng)校準(zhǔn)過程完成后，處理器MCU通過其MCU_LED 口輸出穩(wěn)定的高電平，控制發(fā)光二極管D100常亮，以指示校準(zhǔn)過程結(jié)束。
[0037]當(dāng)然，對于能夠檢測正負(fù)電壓變化的處理器來說，可以省略比較器U155，直接將運(yùn)算放大器U138的輸出端連接至所述的處理器，當(dāng)處理器檢測到通過運(yùn)算放大器U138輸出的電壓由負(fù)電壓反轉(zhuǎn)為正電壓時(shí)，即可判定已知電容C。放電結(jié)束。
[0038]在需要對待測電容進(jìn)行容值測量時(shí)，將電極CAP1、CAP2分別對應(yīng)連接到待測電容的兩端。對于有極性的待測電容來說，可以將電極CAP1連接到待測電容的正極，將電極CAP2連接到待測電容的負(fù)極。通過處理器MCU首先控制M0S管Q1飽和導(dǎo)通、M0S管Q2截止，利用第一路參考電壓VKEF+同時(shí)為已知電容C。和待測電容充電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出或者到達(dá)設(shè)定時(shí)間Tc時(shí)，處理器MCU判定已知電容C。和待測電容充電已滿，轉(zhuǎn)而控制M0S管Q1截止、M0S管Q2飽和導(dǎo)通，進(jìn)而利用第二路參考電壓VKEF-控制已知電容C。和待測電容開始放電，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)。當(dāng)處理器MCU檢測到通過比較器U155輸出的電平由高電平跳變成低電平(0電平)時(shí)，判定已知電容C。和待測電容放電結(jié)束，處理器MCU進(jìn)入中斷程序，控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，記錄計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間，記為已知電容C。和待測電容的放電時(shí)間Tt。
[0039]根據(jù)電容的充放電公式:Tt=2*R* (Cc+Ca),以及校準(zhǔn)過程中所使用的電容充放電公式:Τε=2*Κ*(；，可知:?/Τε= (Cc+Ca)/Cc,因此，待測電容的電容值由此完成了對待測電容的電容值檢測，可以將生成的測量結(jié)果通過顯示屏顯示給檢測人員。
[0040]當(dāng)然，在本實(shí)施例中，所述選通電路也可以采用三極管、可控硅等其他開關(guān)管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，只需將兩個(gè)開關(guān)管的控制極連接處理器MCU，接收處理器輸出的切換信號(hào)，兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)通路分別連接在所述的第一路參考電壓VKEF+與RC電路之間或者連接在所述的第二路參考電壓VKEF-與RC電路之間，即可實(shí)現(xiàn)對兩路參考電壓VKEF+、VKEF-的選通切換。本實(shí)施例對所述選通電路的具體組建結(jié)構(gòu)并不僅限于以上舉例。
[0041]本實(shí)施例的電容容值測量裝置，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、測量精度高、使用方便，可以集成到目前所有的普通萬用表中，在保持萬用表造價(jià)低廉的同時(shí)，使萬用表具備了電容容值的測量功能。
[0042]當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電容容值測量裝置，其特征在于:設(shè)置有選通電路、RC電路、計(jì)時(shí)器、處理器和兩個(gè)電極；所述的兩個(gè)電極分別與RC電路中已知電容的兩端對應(yīng)連接；在對被測電容進(jìn)行測量時(shí)，將兩個(gè)所述的電極分別與待測電容的兩端對應(yīng)連接，所述選通電路首先切換至第一路參考電壓與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓對所述的已知電容和待測電容充電，待所述已知電容和待測電容充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓與所述的RC電路連通，所述第二路參考電壓與第一路參考電壓的極性相反，控制所述已知電容和待測電容放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄所述已知電容和待測電容的放電時(shí)間Tt ;所述處理器根據(jù)公式計(jì)算出所述待測電容的電容值Ca;其中， C。為所述已知電容的電容值； Tc為利用所述第一路參考電壓為所述已知電容單獨(dú)充電時(shí)，待已知電容充滿電后，已知電容所需的放電時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容容值測量裝置，其特征在于:在所述測量裝置上設(shè)置有校準(zhǔn)按鍵，連接所述的處理器；所述處理器在檢測到校準(zhǔn)按鍵按下時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式: 處理器首先控制所述選通電路切換至第一路參考電壓與所述的RC電路連通，利用第一路參考電壓單獨(dú)對所述的已知電容充電，待所述已知電容充電結(jié)束后，切換至第二路參考電壓與所述的RC電路連通，控制所述已知電容放電，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄所述已知電容的放電時(shí)間Τ。；所述處理器根據(jù)公式:Te=2*R*C。，計(jì)算出所述已知電容的電容值C。；其中，R為所述RC電路中電阻的阻值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容容值測量裝置，其特征在于:在所述測量裝置上還設(shè)置有指示燈，連接所述的處理器；所述處理器在進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式后，控制所述的指示燈閃爍，直到處理器計(jì)算出所述已知電容的電容值C。后，控制所述指示燈常亮，表示校準(zhǔn)完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電容容值測量裝置，其特征在于:所述選通電路在將所述第一路參考電壓與RC電路連通時(shí)，啟動(dòng)所述計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出或者計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值Tc時(shí)，所述Tc>2R (Ca+ C。)，判定與所述第一路參考電壓連通的電容充電結(jié)束，輸出信號(hào)控制所述選通電路切換至第二路參考電壓；設(shè)置所述計(jì)時(shí)器計(jì)滿溢出的時(shí)間大于2R (Ca+Cc)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容容值測量裝置，其特征在于:所述RC電路為RC積分電路，包括運(yùn)算放大器、電阻和所述的已知電容；所述運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，反相輸入端與所述電阻串聯(lián)后，連接至所述的選通電路，用于與所述的第一路參考電壓或者第二路參考電壓連通；所述已知電容連接在所述運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間；所述處理器在所述已知電容和待測電容放電時(shí)，檢測運(yùn)算放大器輸出的電平狀態(tài)，當(dāng)檢測到電平的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，判定已知電容和待測電容放電結(jié)束，控制所述計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并記錄當(dāng)前的計(jì)時(shí)時(shí)間為所述的放電時(shí)間Tt。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容容值測量裝置，其特征在于:在所述RC積分電路中還設(shè)置有一比較器，所述比較器的反相輸入端連接所述運(yùn)算放大器的輸出端，比較器的同相輸入端接地，比較器的輸出端連接所述的處理器，所述處理器根據(jù)比較器輸出的高低電平變化，判定所述已知電容和待測電容是否放電結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容容值測量裝置，其特征在于:所述計(jì)時(shí)器集成在所述的處理器中，所述第一路參考電壓為正極性電壓，所述第二路參考電壓為負(fù)極性電壓，且幅值等于第一路參考電壓；所述比較器的輸出端連接處理器的中斷接口，在通過所述比較器輸出的電平由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)觸發(fā)處理器進(jìn)入中斷，控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并進(jìn)行所述待測電容的容值Ca的計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容容值測量裝置，其特征在于:在所述選通電路中設(shè)置有兩個(gè)開關(guān)管，兩個(gè)開關(guān)管的控制極接收處理器輸出的通路切換信號(hào)，兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)通路分別連接在所述第一路參考電壓與RC電路之間或者連接在所述第二路參考電壓與RC電路之間。
9.一種電容容值測量方法，其特征在于:將待測電容并聯(lián)在RC電路中的已知電容的兩端，利用一路參考電壓對所述的已知電容和待測電容充電，待充電結(jié)束后，切斷所述的參考電壓，控制所述已知電容和待測電容放電，并記錄所述已知電容和待測電容的放電時(shí)間Tt ；代入公式計(jì)算出所述待測電容的電容值Ca;其中， C。為所述已知電容的容值； Tc為利用所述參考電壓為所述已知電容單獨(dú)充電時(shí)，待已知電容充滿電后，已知電容所需的放電時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容容值測量方法，其特征在于:在對所述待測電容進(jìn)行容值測量前，首先對所述的已知電容進(jìn)行校準(zhǔn)，過程為: 首先利用所述的參考電壓單獨(dú)對所述的已知電容充電，待充電結(jié)束后，切斷所述的參考電壓，控制所述已知電容放電，并記錄所述已知電容的放電時(shí)間Τ。；利用公式:凡=2*1?*(；，計(jì)算出所述已知電容的電容值C。；其中，R為所述RC電路中電阻的阻值。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK104459338SQ201410826154
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】宋超, 杜洋 申請人:青島歌爾聲學(xué)科技有限公司