具有多量程的微電容參比測量電路及方法

具有多量程的微電容參比測量電路及方法
【專利摘要】本發明公開了具有多量程的微電容參比測量電路及方法，包括被測電容電路以及多個參比電容測量電路。激勵電壓信號從此公共端接入測量電路，各個電容的電流通過其對應的運算放大器及反饋電路轉換為各自的電壓信號，進而測量被測電容電路以及某一個參比測量電路的輸出電壓信號比值得到被測電容的電容量，由此通過將參比電容設置為不同的電容量以及控制被測電容電路對應的反饋電路實現多個測量量程，從而擴展了微電容參比測量電路的測量范圍，通過多量程設置的不同的參比電容與被測電容結構的比較，提高了被測電容的精度。該電路應用于模擬集成電路測試系統、數字集成電路測試系統、混合集成電路測試系統以及半導體分立器件測試系統中。
【專利說明】
具有多量程的微電容參比測量電路及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于基本電子測量領域，具體涉及一種具有多量程的微電容參比測量電路 及方法。
【背景技術】
[0002] ESD防護芯片或其組件可以為電路中的半導體器件提供靜電放電保護及其它過壓 保護，防止半導體器件損壞。寄生電容是ESD防護芯片的一個重要參數，因此量產中，需要測 試ESD防護芯片的寄生電容(通常在pF量級）。對于寄生電容的測試，一些設計公司或者封裝 測試廠選擇LCR表，但是LCR表的成本相對較高。考慮到成本因素，人們設計了一些專用的微 電容測量電路。這些專用測量電路的原理也不盡相同，在發明專利（公開號CN101349716A) 以及文獻《基于參比電容和鎖定放大的微電容測量儀》中都提出了微電容參比測量電路。
[0003] 所述專利及文獻中提出的微電容參比測量電路中，參比電容的電容值與被測電容 的電容值越接近，測量的準確度越高。不同的ESD防護芯片，其寄生電容的數值也不盡相同， 如一些ESD防護芯片的寄生電容的數值小于lpF、一些ESD防護芯片的寄生電容的數值為幾 十PF甚至更高，但是所述微電容參比測量電路只有一個測量量程，因此對于從小于lpF到幾 十PF甚至幾百pF的測量范圍，單個所述微電容測量電路無法在所述測量范圍內保證較高的 測量精度。進而在實際量產中，人們需要多個所述微電容參比測量電路用于測試ESD防護芯 片的寄生電容參數，但是多個測量電路不利于實際量產的管理，增加了量產環節錯誤使用 所述測量電路的概率。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提出一種具有多量程的微電容參比測量電路及方法，通過增加支 路以及開關的設置實現多量程的測量，并且通過多量程設置的不同的參比電容與被測電容 結構的比較，提高了被測電容的精度。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的技術方案是： 具有多量程的微電容參比測量電路，其中，所述多量程的微電容參比測量電路包括多 路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放大器、參 比電容和反饋阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在運算放 大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋阻抗跨接在運算放大器反相 輸入端和運算放大器輸出端之間；所述被測電容測試電路包括運算放大器、被測電容和與 多路參比電容測試電路路數相同的反饋阻抗、以及多路控制開關，被測電容的一端連接在 運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋阻抗與控制開關連接 跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個激勵電壓信號同時與多路參 比電容另一端以及被測電容另一端連接，一個電壓測量電路選擇性的分別與多路參比電容 測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接。
[0006] 方案進一步是:所述多路控制開關連接第一多路選擇電路，所述電壓測量電路通 過第二多路選擇電路與參比電容測試電路的輸出端連接，所述電壓測量電路通過第三多路 選擇電路與被測電容測試電路的輸出端連接，第一多路選擇電路、第二多路選擇電路、第三 多路選擇電路分別接受一個微處理器的I/O接口控制。
[0007] 方案進一步是:所述多路參比電容測試電路中的多路反饋阻抗是電阻，所述被測 電容測試電路的反饋阻抗是電阻，多路參比電容是lpF至1000PF之間的不同參比電容值。
[0008] 方案進一步是:所述被測電容測試電路的控制開關由由并聯的第一開關和第二開 關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電阻之間，第二開關連接在運算放大器輸出 與反饋電阻之間。
[0009] 方案進一步是:述多路參比電容測試電路中的多路反饋阻抗是電阻和電容并聯阻 容阻抗，所述被測電容測試電路的反饋阻抗是一個電阻和多路電容并聯的阻容阻抗，一個 電阻跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，所述多路電容分別串接一個 所述控制開關跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間。
[0010] 方案進一步是:所述被測電容測試電路的控制開關由第一開關和第二開關組成， 第一開關連接在電壓測量電路與反饋電容之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電 容之間。
[0011] 方案進一步是:所述被測電容測試電路的多路反饋阻抗中的一路反饋阻抗與選擇 對應的多路參比電容測試電路中一路的反饋阻抗的阻抗值相同。
[0012] 方案進一步是:所述多路參比電容測試電路的反饋阻抗值相同，所述被測電容測 試電路中多路反饋阻抗值相同。
[0013] 具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電 路包括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放 大器、參比電容和反饋電阻組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在 運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋電阻跨接在運算放大 器反相輸入端和運算放大器輸出端之間；所述被測電容測試電路由運算放大器、被測電容 和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋電阻、以及多路控制開關組成，被測電容的一 端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋電阻與控制 開關串聯跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個電壓測量電路選擇 性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接;其中，所 述控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電阻 之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電阻之間;所述方法是:一個激勵電壓信號同 時接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端； 其中：首先，預判被測電容的電容值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和第 二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路電組連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電阻接 通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路的輸 出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。
[0014] 具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電 路包括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放 大器、參比電容以及電阻和電容并聯的反饋阻容阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相 同，參比電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接， 反饋阻容阻抗跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間;所述被測電容測試 電路由運算放大器、被測電容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋電阻、以及多路 控制開關組成，被測電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入 端與地連接，其中：所述反饋阻抗是一個電阻和多路反饋電容并聯的阻容阻抗，一個電阻跨 接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，所述多路反饋電容分別串接一個所 述控制開關跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個電壓測量電路選 擇性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接;其中， 所述控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電 容之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電容之間;所述方法是:一個激勵電壓信號 同時接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端； 其中：首先，預判被測電容的電容值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和第 二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路反饋電容連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電 容接通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路 的輸出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。
[0015] 本發明的有益效果是： 本發明通過增加參比測量支路并且將多個參比電容電路支路中的參比電容的電容量 配置為不同數值以及增加被測電容電路所對應的反饋支路且反饋支路能夠通過開關進行 選擇控制，進而在同一個測量電路中能夠控制流過被測電容與參比電容的電流比值，解決 了現有技術方案只有單一測量量程的問題，便于實用中根據被測電容的電容量自動選擇測 量量程，利于生產管理并降低錯誤使用測量電路的概率，同時，通過多量程設置的不同的參 比電容與被測電容結構的比較，提高了被測電容的精度。
[0016] 下面結合附圖和實施例對本發明作一詳細描述。
【附圖說明】
[0017] 圖1是電阻反饋的具有多量程的微電容參比測量電路； 圖2是電容反饋的具有多量程的微電容參比測量電路。
【具體實施方式】
[0018] 實施例1: 具有多量程的微電容參比測量電路，其中，所述多量程的微電容參比測量電路包括多 路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放大器、參 比電容和反饋阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在運算放 大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接(相當于電源負極），反饋阻抗跨接 在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間;所述被測電容測試電路包括運算放大 器、被測電容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋阻抗、以及多路控制開關，被測電 容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接(相當于電 源負極），反饋阻抗與控制開關連接跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之 間，一個激勵電壓信號同時與多路參比電容另一端以及被測電容另一端連接，一個電壓測 量電路選擇性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連 接。
[0019] 實施例中：其中的所述多路控制開關可以是手動開關，作為一個自動控制的優選 方案，所述多路控制開關連接第一多路選擇電路，所述電壓測量電路通過第二多路選擇電 路與參比電容測試電路的輸出端連接，所述電壓測量電路通過第三多路選擇電路與被測電 容測試電路的輸出端連接，第一多路選擇電路、第二多路選擇電路、第三多路選擇電路分別 接受一個微處理器的I/O接口控制;微處理器同時肩負著電壓測量電路選擇性的分別與多 路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接，對輸出電壓按照設置的 步驟測量、計算的工作。
[0020] 作為多路參比電容測試電路有兩種優選方案： 其一是：如圖1所示，所述多路參比電容測試電路中的多路反饋阻抗是電阻，所述被測 電容測試電路的反饋阻抗是電阻，多路參比電容是lpF至1000PF之間的不同參比電容值。 [0021]其中，因為測試的是微量電容，為了克服測量中反饋電流線路對測量電壓的影響， 將電壓測試點避開反饋電流流經的線路，因此:所述被測電容測試電路的控制開關由由并 聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電阻之間，第二開關 連接在運算放大器輸出與反饋電阻之間。
[0022] 其二是:如圖2所示:所述多路參比電容測試電路中的多路反饋阻抗是電阻和電容 并聯阻容阻抗，所述被測電容測試電路的反饋阻抗是一個電阻和多路電容并聯的阻容阻 抗，一個電阻跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，所述多路電容分別 串接一個所述控制開關跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間。
[0023] 同理，因為測試的是微量電容，為了克服測量中反饋電流線路對測量電壓的影響， 將電壓測試點避開反饋電流流經的線路，因此:所述被測電容測試電路的控制開關由第一 開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電容之間，第二開關連接在運 算放大器輸出與反饋電容之間。
[0024]通過測量后的參數最后計算（后面介紹）出被測電容值，其中的公式用到已知參 數，因此為了簡化運算： 1，所述被測電容測試電路的多路反饋阻抗中的一路反饋阻抗與選擇對應的多路參比 電容測試電路中一路的反饋阻抗的阻抗值相同。
[0025] 2,所述多路參比電容測試電路的反饋阻抗值相同，所述被測電容測試電路中多路 反饋阻抗值相同。
[0026] 實施例2: 具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電路包 括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放大 器、參比電容和反饋電阻組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在運 算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接(相當于電源負極），反饋電阻 跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間;所述被測電容測試電路由運算放 大器、被測電容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋電阻、以及多路控制開關組成， 被測電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接(相 當于電源負極），反饋電阻與控制開關串聯跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸 出端之間，一個電壓測量電路選擇性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容 測試電路的輸出端連接;其中，所述控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關 連接在電壓測量電路與反饋電阻之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電阻之間； 所述方法是:一個激勵電壓信號同時接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端； 其中：首先，預判被測電容的電容值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和第 二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路電組連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電阻接 通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路的輸 出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。
[0027]在實際的測量中當被測電容是1PF或小于lpF時，作為測量環境，即被測電容的載 體(例如連接接口）的寄生電容不可以忽略，寄生電容所占的比重也比較大，因此，當被測電 容是lpF或小于lpF時，所述方法進一步包括檢測寄生電容的步驟:除去被測電容，檢測被測 電容載體的寄生電容，所述被檢電容值是第一次檢測的電容值減去寄生電容的電容值。 [0028] 實施例3: 具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電路包 括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放大 器、參比電容以及電阻和電容并聯的反饋阻容阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相同， 參比電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接(相 當于電源負極），反饋阻容阻抗跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間;所 述被測電容測試電路由運算放大器、被測電容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋 電阻、以及多路控制開關組成，被測電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大 器的同相輸入端與地連接(相當于電源負極），其中：所述反饋阻抗是一個電阻和多路反饋 電容并聯的阻容阻抗，一個電阻跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間， 所述多路反饋電容分別串接一個所述控制開關跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大 器輸出端之間，一個電壓測量電路選擇性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測 電容測試電路的輸出端連接;其中，所述控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一 開關連接在電壓測量電路與反饋電容之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電容之 間;所述方法是:一個激勵電壓信號同時接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端； 其中：首先，預判被測電容的電容值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和第 二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路反饋電容連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電 容接通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路 的輸出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。
[0029] 同理:在實際的測量中當被測電容是1PF或小于lpF時，作為測量環境，即被測電容 的載體(例如連接接口）的寄生電容不可以忽略，寄生電容所占的比重也比較大，因此，當被 測電容是lpF或小于lpF時，所述方法進一步包括檢測寄生電容的步驟:除去被測電容，檢測 被測電容載體的寄生電容，所述被檢電容值是第一次檢測的電容值減去寄生電容的電容 值。
[0030] 下面通過附圖具體介紹上述實施例實現的過程： 一，電阻反饋的具有多量程的微電容參比測量電路。
[0031] 如圖1所示，該實施例給出的技術方案有三個參比電容電路支路以及一個被測電 容電路，其中Vin為激勵電壓信號，C rl、Cr2、Cr3為參比電容且電容量不同，Cx為被測電容，所述 參比電容C rl、Cr2、Cr3與所述被測電容Cx的一端相連，所述激勵電壓信號Vin從此公共端接入 測量電路。
[0032] 所述參比電容Crl、Cr2、Cr3分別對應運算放大器^、^、^，并且&^&:^^的另一端 分別接入所述運算放大器N1、N2、N3的反向輸入端。所述運算放大器N1、N2、N3的同相輸入端 接地，運算放大器Nl、N2、N3的反向輸入端與輸出端之間分別連接有反饋電阻R f!、Rf 2、Rf 3，運 算放大器N1、N2、N3的輸出分別對應三個參比電容電路支路的輸出電壓信號Vcrl、Vcr2、V cr3。
[0033] 所述被測電容Cx對應運算放大器N4并且Cx的另一端接入所述運算放大器N4的反向 輸入端。所述運算放大器N4的同相輸入端接地;運算放大器N4的反向輸入端與輸出端之間 并聯連接有三個反饋支路，其中第一反饋支路101有反饋電阻Rf4與開關S1B的串聯連接、第 二反饋支路102有反饋電阻R f5與開關S2B的串聯連接、第三反饋支路103有反饋電阻Rf6與開 關S3B的串聯連接。
[0034] 對于所述反饋電阻Rf4,其與所述開關S1B相連接的一端與開關S1A的一端相連;對 于所述反饋電阻R f5,其與所述開關S2B相連接的一端與開關S2A的一端相連;對于所述反饋 電阻Rf6,其與所述開關S3B相連的一端與開關S3A的一端相連;進而將所述開關S1A、S2A及 S3A的另一端相連，并且從該公共端引出所述被測電容電路的輸出電壓信號Vcx。
[0035] 圖1所示的實施例的工作過程如下： 設置所述被測電容電路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第一反饋支路101，即 所述開關S1B接通、所述開關S2B以及S3B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電阻R fl、Rf2、Rf3以及Rf4的電流相同，并且該電流分別流回到所述運算 放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓V crl、Vcr2、Vcr3 分別等于所述反饋電阻Rfl、Rf2、Rf3的電壓;所述開關S1A接通、所述開關S2A以及S3A斷開，進 而得到所述反饋電阻Rm的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓V cx。由此可以得 到：
設置所述被測電容電路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第二反饋支路102,即 所述開關S2B接通、所述開關S1B以及S3B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電阻R fl、Rf2、Rf3以及Rf5的電流相同，并且該電流分別流回到所述運算 放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓V crl、Vcr2、Vcr3 分別等于所述反饋電阻Rfl、Rf2、Rf3的電壓;所述開關S2A接通、所述開關S1A以及S3A斷開，進 而得到所述反饋電阻R f5的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓Vcx。由此可以得 到：
設置所述被測電容電路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第三反饋支路103,即 所述開關S3B接通、所述開關S1B以及S2B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電阻R fl、Rf2、Rf3以及Rf6的電流相同，并且該電流分別流回到所述運算 放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓V crl、Vcr2、Vcr3 分別等于所述反饋電阻Rfl、Rf2、Rf3的電壓;所述開關S3A接通、所述開關S1A以及S2A斷開，進 而得到所述反饋電阻R f6的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓Vcx。由此可以得 到：

所述等式式5、式6、式7、式9、式10、式11、式13、式14、式15中的Crl、Cr2及C r3分別用于表 示所述參比電容Crl、Cr2及Cr3的電容量，由于所述參比電容的電容量不同，因此這些等式中 的C rl、Cr2及Cr3為不同的數值。
[0036]將所述第一反饋支路101中的反饋電阻Rf4、所述第二反饋支路102中的反饋電阻 Rf5、所述第三反饋支路103中的反饋電阻Rf6的電阻值設置為不同的數值，進而所述等式式 5、式6、式7、式9、式10、式11、式13、式14、式15中的R f4、Rf5及Rf6為不同的數值。
[0037] 通過選擇不同的所述參比電容測量支路以及所述被測電容電路對應的運算放大 器不同的反饋支路，測量得到Vcx以及V crl或者Vcr2或者Vcr3,進而通過所述等式式5、式6、式7、 式9、式10、式11、式13、式14、式15中的一個等式做計算得到所述被測電容(^的電容量，由此 實現微電容參比測量電路具有多個測量量程。
[0038] 二，電容反饋的具有多量程的微電容參比測量電路。
[0039] 如圖2所示，該實施例給出的技術方案有三個參比電容電路支路以及一個被測電 容電路，其中Vin為激勵電壓信號，C rl、Cr2、Cr3為參比電容且電容量不同，Cx為被測電容，所述 參比電容C rl、Cr2、Cr3與所述被測電容Cx的一端相連，所述激勵電壓信號V in通過此公共端接 入測量電路。
[0040] 所述參比電容Crl、Cr2、Cr3分別對應運算放大器附』2、吧，并且(^、(^2、(^的另一端 分別接入所述運算放大器N1、N2、N3的反向輸入端。所述運算放大器N1、N2、N3的同相輸入端 接地;所述運算放大器N1的反向輸入端與輸出端之間并聯連接有反饋電容C fl和反饋電阻 Rh，所述運算放大器N2的反向輸入端與輸出端之間并聯連接有反饋電容Cf2和反饋電阻Rf2， 所述運算放大器N3的反向輸入端與輸出端之間并聯連接有反饋電容C f3和反饋電阻Rf3;運 算放大器N1、N2、N3的輸出分別對應三個參比電容電路支路的輸出電壓信號V crl、Vcr2、Vcr3。
[0041] 所述被測電容Cx對應運算放大器N4并且Cx的另一端接入所述運算放大器N4的反向 輸入端。所述運算放大器N4的同相輸入端接地;運算放大器N4的反向輸入端與輸出端之間 并聯連接有三個反饋支路以及反饋電阻R f4,其中第一反饋支路201有反饋電容Cf4與開關 S1B的串聯連接、第二反饋支路202有反饋電容C f5與開關S2B的串聯連接、第三反饋支路203 有反饋電容Cf6與開關S3B的串聯連接。
[0042]所述反饋電阻Rfl、Rf2、Rf3的電阻值比較大，分別用于消除直流電流對所述反饋電 容Cfl、Cf2、Cf3的積分效應;此外所述反饋電阻Rf4的電阻值比較大，用于消除直流電流對所述 反饋電容〇￡4心5、〇￡6的積分效應。
[0043] 對于所述反饋電容Cf4,其與所述開關S1B相連接的一端與開關S1A的一端相連;對 于所述反饋電容C f5,其與所述開關S2B相連接的一端與開關S2A的一端相連;對于所述反饋 電容Cf6，其與所述開關S3B相連的一端與開關S3A的一端相連;進而將所述開關S1A、S2A及 S3A的另一端相連，并且從該公共端引出所述被測電容電路的輸出電壓信號V cx。
[0044] 圖2所示的實施例的工作過程如下： 設置所述被測電容電路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第一反饋支路201，即 所述開關S1B接通、所述開關S2B以及S3B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容Crl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電阻C fl、Cf2、Cf3以及Cf4的電流相同，并且該電流分別流回到所述運算 放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓V crl、Vcr2、Vcr3 分別等于所述反饋電容Cfl、Cf2、Cf3的電壓;所述開關S1A接通、所述開關S2A以及S3A斷開，進 而得到所述反饋電容C f4的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓Vcx。由此可以得 到
設置所述被測電容支路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第二反饋支路202,即 所述開關S2B接通、所述開關S1B以及S3B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容Crl、Cr2、C r3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電容Cfl、C f2、Cf3以及Cf5的電流相同，并且這些電流分別流回到所述運 算放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓V crl、Vcr2、 Vd分別等于所述反饋電容Cfl、Cf2、Cf3的電壓;所述開關S2A接通、所述開關S1A以及S3A斷 開，進而得到所述反饋電容C f5的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓V"。由此 可以得到：
設置所述被測電容支路對應的運算放大器N4的反饋支路為所述第三反饋支路203,即 所述開關S3B接通、所述開關S1B以及S2B斷開，接著所述激勵電壓信號Vin施加于所述參比電 容C rl、Cr2、Cr3以及所述被測電容Cx后，所述參比電容Crl、Cr2、C r3以及所述被測電容Cx的電流 分別與流過所述反饋電容Cfl、C f2、Cf3以及Cf6的電流相同，并且該電流分別流回到所述運算 放大器N1、N2、N3以及N4的輸出端，進而所述運算放大器N1、N2、N3的輸出電壓Vcrl、Vcr2、V cr3 分別等于所述反饋電容Cfl、Cf2、Cf3的電壓;所述開關S3A接通、所述開關S1A以及S2A斷開，進 而得到所述反饋電容C f6的電壓，該電壓等于所述被測電容電路的輸出電壓Vcx。由此可以得 到：
所述等式式20、式21、式22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的Crl、Cr2及C r3分別用 于表示所述參比電容Crl、Cr2及Cr3的電容量，由于所述參比電容的電容量不同，因此這些等 式中的C rl、Cr2及Cr3為不同的數值。
[0045] 將所述第一反饋支路201中的反饋電容Cf4、所述第二反饋支路202中的反饋電容 Cf5、所述第三反饋支路203中的反饋電容Cf6的電阻值設置為不同的數值，進而所述等式式 20、式21、式22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的Cf4、Cf 5&Cf6為不同的數值。
[0046] 通過選擇不同的所述參比電容測量支路以及所述被測電容電路對應的運算放大 器不同的反饋支路，測量得到Vcx以及V crl或者Vcr2或者Vcr3,進而通過所述等式式20、式21、式 22、式24、式25、式26、式28、式29、式30中的一個等式做計算得到所述被測電容C x的電容量， 由此實現微電容參比測量電路具有多個測量量程。
[0047]值得注意的是，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域 的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的構思和原則的前提下所做的等同變化、修改 與結合，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 具有多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述多量程的微電容參比測量電 路包括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放 大器、參比電容和反饋阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在 運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋阻抗跨接在運算放大 器反相輸入端和運算放大器輸出端之間；所述被測電容測試電路包括運算放大器、被測電 容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋阻抗、以及多路控制開關，被測電容的一端 連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋阻抗與控制開 關連接跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個激勵電壓信號同時與 多路參比電容另一端以及被測電容另一端連接，一個電壓測量電路選擇性的分別與多路參 比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接。2. 根據權利要求1所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述多路控制開 關連接第一多路選擇電路，所述電壓測量電路通過第二多路選擇電路與參比電容測試電路 的輸出端連接，所述電壓測量電路通過第三多路選擇電路與被測電容測試電路的輸出端連 接，第一多路選擇電路、第二多路選擇電路、第三多路選擇電路分別接受一個微處理器的1/ 〇接口控制。3. 根據權利要求1所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述多路參比電 容測試電路中的多路反饋阻抗是電阻，所述被測電容測試電路的反饋阻抗是電阻，多路參 比電容是lpF至lOOOpF之間的不同參比電容值。4. 根據權利要求3所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述被測電容測 試電路的控制開關由由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與 反饋電阻之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電阻之間。5. 根據權利要求1所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，述多路參比電容 測試電路中的多路反饋阻抗是電阻和電容并聯阻容阻抗，所述被測電容測試電路的反饋阻 抗是一個電阻和多路電容并聯的阻容阻抗，一個電阻跨接在運算放大器反相輸入端和運算 放大器輸出端之間，所述多路電容分別串接一個所述控制開關跨接在運算放大器反相輸入 端和運算放大器輸出端之間。6. 根據權利要求5所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述被測電容測 試電路的控制開關由第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電容 之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電容之間。7. 根據權利要求1所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述被測電容測 試電路的多路反饋阻抗中的一路反饋阻抗與選擇對應的多路參比電容測試電路中一路的 反饋阻抗的阻抗值相同。8. 根據權利要求1所述的多量程的微電容參比測量電路，其特征在于，所述多路參比電 容測試電路的反饋阻抗值相同，所述被測電容測試電路中多路反饋阻抗值相同。9. 具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電路 包括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放大 器、參比電容和反饋電阻組成，多路參比電容的電容值各不相同，參比電容的一端連接在運 算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋電阻跨接在運算放大器 反相輸入端和運算放大器輸出端之間；所述被測電容測試電路由運算放大器、被測電容和 與多路參比電容測試電路路數相同的反饋電阻、以及多路控制開關組成，被測電容的一端 連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接，反饋電阻與控制開 關串聯跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個電壓測量電路選擇性 的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接;其中，所述 控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電阻之 間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電阻之間;所述方法是:一個激勵電壓信號同時 接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端；其特征在于：首先，預判被測電容的電容 值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和第二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路電組連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電阻接 通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路的輸 出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。10.具有多量程的微電容參比測量電路的測量方法，所述多量程的微電容參比測量電 路包括多路參比電容測試電路和一路被測電容測試電路，所述參比電容測試電路由運算放 大器、參比電容以及電阻和電容并聯的反饋阻容阻抗組成，多路參比電容的電容值各不相 同，參比電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入端與地連接， 反饋阻容阻抗跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間;所述被測電容測試 電路由運算放大器、被測電容和與多路參比電容測試電路路數相同的反饋電阻、以及多路 控制開關組成，被測電容的一端連接在運算放大器的反相輸入端，運算放大器的同相輸入 端與地連接，其中：所述反饋阻抗是一個電阻和多路反饋電容并聯的阻容阻抗，一個電阻跨 接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，所述多路反饋電容分別串接一個所 述控制開關跨接在運算放大器反相輸入端和運算放大器輸出端之間，一個電壓測量電路選 擇性的分別與多路參比電容測試電路的輸出以及被測電容測試電路的輸出端連接;其中， 所述控制開關由并聯的第一開關和第二開關組成，第一開關連接在電壓測量電路與反饋電 容之間，第二開關連接在運算放大器輸出與反饋電容之間； 所述方法是:一個激勵電壓信號同時接入多路參比電容另一端以及被測電容另一端； 其特征在于:首先，預判被測電容的電容值，將被測電容測試電路中多路電阻的第一開關和 第二開關斷開，然后， 步驟1，選擇并測量與判斷電容值最接近一路參比電容測試電路的輸出電壓值，接著， 選擇被測電容測試電路中與一路反饋電容連接的第二開關閉合，運算放大器輸出與反饋電 容接通，接著，閉合與第二開關并聯的第一開關接入電壓測量電路測量被測電容測試電路 的輸出電壓值，然后根據已知參數和公式計算出被測電容值； 步驟2,判斷：當計算出的被測電容值是最接近一路參比電容值，則被測電容值是最終 的被測電容值;當計算出的被測電容值不是最接近一路參比電容值，則重復步驟1。
【文檔編號】G01R27/26GK105974202SQ201610450873
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】郝瑞庭, 王俊美
【申請人】北京華峰測控技術有限公司