专利名称：一种具有电容测量功能的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量装置领域，特别是涉及到电容测量装置领域。
背景技术：
现有技术中，为了提高小电容测量的精度和大电容测量的速度，采用了许多种测
量方法。在中国专利申请《镜像恒流源测电容的方法》(公开号为101082644A)中，介绍了 一种电容测量方法。如图1所示，测量装置1包括依次串联连接的被测电容101、镜像恒流 源充放电模块102、电压检测模块107、控制模块108和时钟发生器109，镜像恒流源充放电 模块102中包括恒流源103、充放电电路104、镜像电路105和充放电开关控制电路106。该 专利说明书中公开了两种实施方式。在这两个实施例中充放电开关控制电路106由可控开 关Kl构成。一种实施方式是固定充电时间的测量方法，控制模块108通过测量被测电容101 的充电以前的电压和充电以后的电压的差值，从而计算出电容值。整个测量过程包括充电 期间、放电期间。完成一个充、放电的周期就可以测出被测电容101的电容值。其中电压检 测模块107由A/D转换器构成。步骤一充电期间，控制模块108控制Kl打开，打开充电电路，关闭放电电路。同 时控制模块108开始计时。步骤二 计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模 块108控制Kl闭合，关闭充电电路，打开放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时被测 电容上的电压值vl。步骤三计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模 块108控制Kl打开，打开充电电路，关闭放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时电容 上的电压值v2。由此，我们可以计算出被测电容101的电容值Cx AU= |v2-vlCX =(充电电流 I1XT)/AU重复上述的步骤二、步骤三，可以进行周期性的测量。因为这种方法充、放电时间短，所以十分适用于对大的电容的测量。另一种实施方式是固定电压差的测量方法，控制模块108通过被测电容101上的 电压从预置电压值vl变化到预置电压值ν2的时间At，从而计算出被测电容值。其中电压 检测模块107由电压比较器CVl和电压比较器CV2构成。步骤一放电步骤。控制模块108控制Kl打开，打开放电电路，关闭充电电路。电 容开始放电。当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻 转；步骤二 当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻转，控制模块108检测到CV2输出电平的变化，控制模块108控制Kl闭合，打开充电电 路，关闭放电电路。电容开始充电。同时，控制模块108开始计时。步骤三当电容上的电压大于等于比较电压Vl的时候，电压比较器CVl的输出电 平翻转；控制模块108检测到电压比较器CVl的输出电平翻转，停止计时，记录下计时时间 At ；控制模块控制Kl打开，打开放电电路，关闭充电电路。电容开始放电。步骤四重复步骤二、三。电压比较器CVl和电压比较器CV2的输出波形被送进控制模块108中，控制模块 108测量电压比较器CVl输出的波形信号的频率f，由于充电电流等于放电电流，所以充电 时间等于放电时间，所以At = l/f/2。由此，我们可以计算出被测电容101的电容值Cx AU = vl-v2At= l/f/2CX =(充电电流 I1XT)/AU现有技术所述的固定时间的测量方法和固定电压差的测量方法均不能自动适应 大电容测量和小电容的测量。比如，在所述的固定时间的测量方法下，当充电电流一定时，设置较长的充电时 间，可以实现的较大电容的准确测量，但同样的充电时间就无法满足小电容的测量需要了。 其原因在于，在同样的充电电流下，被测电容需要的充电时间很短。充电时间过长，往往会 使得被测电容两端的电压超出A/D转换器输入电压范围，使电容测量不准确。又比如，在所述的固定电压差的测量方法下，当测量小电容时，为了获得较高的测 量精度，往往设定一个较小的充电电流，但较小的充电电流，会使大电容测量的测量周期变 长，甚至超出用户等待的极限。其原因在于，在同样的充电电流下，需要更长的充电时间，方 能使大电容两端的电压达到设定电压值。

发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种具有电容测量功 能的测量装置，该装置能够自动适用于大电容和小电容的测量。本发明所述的具有电容测量功能的测量装置，包括一个充电模块，一个放电模块， 一个A/D转换模块和一个控制处理模块，所述的充电模块，用于在控制处理模块的控制下， 为被测电容充电；所述的放电模块，用于在控制处理模块的控制下，为被测电容放电；所述 的A/D转换模块，用于在控制处理模块的控制下，测量被测电容上的电压；所述的控制处理 模块，用于测量被测电容的充电时间，还包括一个第一电压比较器，所述的第一电压比较器 对被测电容的电压高于一个第一阈值电压敏感，产生一个第一测量控制信号；所述的控制 处理模块对所述的第一测量控制信号敏感，使所述的充电模块停止为被测电容充电，使所 述的A/D转换模块测量被测电容上的电压。在本发明所述的测量装置中，所述的第一阈值电压可以小于或等于所述的A/D转 换模块的最大输入额定电压。在本发明所述的测量装置中，还可以包括一个第二电压比较器，所述的第二电压 比较器对被测电容上的电压低于一个第二阈值电压敏感，产生一个第二测量控制信号；对被测电容上的电压高于所述的第二阈值电压敏感，产生一个第三测量控制信号；所述的控 制处理模块对所述的第二测量控制信号敏感，使所述的放电模块停止为被测电容放电，使 所述的充电模块为被测电容充电；所述的控制处理模块还对所述的第三测量控制信号敏 感，首先使所述的充电模块先停止为被测电容充电，使所述的A/D转换模块测量被测电容 上的电压，然后再使所述的充电模块为被测电容充电，并同时开始测量充电时间。在本发明所述的测量装置中，所述的第二阈值电压信号可以大于或等于所述的A/ D转换模块的最小输入额定电压。在本发明所述的测量装置中，还可以具有一个最大充电时间，所述的控制处理模 块对所述的充电时间达到所述的最大充电时间敏感，使所述的充电模块停止为被测电容充 电，使所述的A/D转换模块测量被测电容上的电压。在本发明所述的测量装置中，在被测电容与所述的充电模块之间可以串联有一个 第一分压电路，用于为所述的充电模块提供过压保护，在被测电容与所述的放电模块之间 可以串联有一个第二分压电路，用于为所述的放电模块提供过压保护。在本发明所述的测量装置中，所述的第一电压比较器、第二电压比较器和所述的 控制处理模块均可以由FPGA器件实现。本发明所述的测量仪器，不仅可以同时适用于大电容和小电容的测量，而且具有 以下特点1、本发明的电容测量控制方法可同时满足测量大电容和小电容，不必分开处理， 控制方法更加简单。2、本发明为充、放电恒流源提供过压保护电路，可以防止由于误操作或测量过程 中的过压损坏充、放电恒流源。


图1是采用现有技术的测量装置1的结构示意图。图2是本发明提供的测量装置2的结构示意图。图3是第一分压电路205的结构示意图。图4是第二分压电路206的结构示意图。图5是双限比较器210的结构示意图。图6是被测电容208充电达到第一阈值电压VH时的电压测量波形。图7是被测电容208充电达到最大充电时间时的电压测量波形。
具体实施例方式下面具体介绍本发明的最佳实施方式。参照图2，测量装置2包括电容测量端207，充电模块216，放电模块217，A/D转换 模块209，双限比较器210，控制处理模块215，显示模块213和输入模块214，第一分压电路 205和第二分压电路206。充电模块216中包括充电恒流源201和充电开关202，放电模块 217中包括放电恒流源203和放电开关204，控制处理模块215包括数字逻辑电路211，处理 器系统212。在本实施例中，测量装置2是数字万用表。作为另外的实施方式，测量装置2还可以是具有电容测量功能的其他装置，例如，电容测量仪、电流计等等。在本实施例中，充电模块216由充电恒流源201和充电开关202组成，放电模块 217是由放电恒流源203和放电开关204组成。作为另外的实施方式，也可以采用现有技术 中的镜像恒流源充放电模块实现本发明中的充电模块216和放电模块217的功能。在本实施例中，控制处理模块215中的数字逻辑电路211和处理器系统212采用 FPGA器件实现。作为另外的实施方式，数字逻辑电路211和处理器系统212也可以采用 CPLD、DSP等器件实现。在本实施例中，电容测量端207用于与被测电容208连接。充电恒流源201，充电开关202、第一分压电路205和电容测量端207依次串联连 接构成被测电容208的充电回路。在本实施例中，充电恒流源201是程控恒流源，处理器系统212根据输入模块214 接收的用户输入信息，设定充电恒流源201输出电流Ic的大小，并通过数字逻辑电路211 输出的第三控制信号220控制充电恒流源201输出合适的电流Ic。用户可以根据需要测量 的电容的大小设置合适的充电电流Ic。作为另外的实施方式，处理器系统212也可以通过 编程实现自动选择最佳测量量程，例如可以通过将测量值与量程上下限比较的方法选择最 佳量程。根据数字逻辑电路211输出的第一控制信号218的控制，充电开关202打开或闭 合，为被测电容208充电。第一分压电路205主要起到过压保护的作用，防止由于电容测量端207接入过高 的电压损坏充电恒流源201，具体结构请参见图3，输入端Iil与充电恒流源201的输出端 串联连接，输出端Iol与电容测量端207串联连接。正常充电时电流从输入端Iil流入，从 输出端Iol流出时，三极管Ql Q8和二极管Dl正向偏置，二极管D4反向偏置。三极管 Ql Q8和二极管D1正向偏置时可以等效为一个低阻值的电阻，二极管D4反向偏置时可以 认为开路，这样电流从输入端Iil流入，从输出端Iol输出。如果输出端Iol加正向高压， 二极管Dl反向偏置，阻断了高压，保护充电恒流源201不会损坏；如果输出端Iol加负向高 压，二极管D4正向偏置，电阻Rl R4上的电压增加，大部分电压降落到三极管Ql Q8和 电阻Rl R4上，保护充电恒流源201不会损坏。再参考图2，放电恒流源203，放电开关204、第二分压电路206和电容测量端207 依次串联连接构成被测电容208的放电回路。在本实施例中，放电恒流源203采用恒定电流源，放电速度快。放电开关204根据数字逻辑电路211输出的第二控制信号219的控制打开或闭 合，为被测电容208放电。第二分压电路206主要起到过压保护的作用，防止由于电容测量端207接入过高 的电压损坏放电恒流源203，具体结构请见图4，输入端Ii2与电容测量端207串联连接， 输出端Io2与放电恒流源203的输入端串联连接。正常放电时电流从输入端Ii2流入，从 输出端Io2流出时，三极管Q9 Q16和二极管D2正向偏置，二极管D3反向偏置。三极管 Q9 Q16和二极管D2正向偏置时可以等效为一个低阻值的电阻，二极管D3反向偏置时可 以认为开路，这样电流从输入端Π2流入，只从输出端Iol输出。如果输入端Π2加负向高压，二极管D2反向偏置，阻断了高压，保护放电恒流源203不会损坏；如果输出端Io2加正 向高压，二极管D3正向偏置，电阻R5 R8上的电压增加，大部分电压降落到三极管Q9 Q16和电阻R5 R8上，保护放电恒流源203不会损坏。再参考图2，A/D转换模块209与电容测量端207串联连接，在本实施例中A/D转 换模块209由A/D转换器ADS1256构成，其最大输入额定电压为3V，最小输入额定电压为 0V。用ADS1256测量被测电容208的模拟电压信号，并将其转化成数字电压信号后，送给数 字逻辑电路211。参考图5和图2，双限比较器210由第一电压比较器501和第二电压比较器502构 成，双限比较器210的输入端Input与电容测量端207串联连接。第一电压比较器501的正输入端^il+通过电阻R12与输入端hput串联连接，用 于从被测电容208获取模拟电压信号，其负输入端hi-用于输入第一阈值电压VH，第一电 压比较器501将正输入端hi+电压信号与第一阈值电压VH比较，当正输入端Inl+电压电 压信号超过第一阈值电压VH时，通过输出端Outputl输出第一测量控制信号505，在本实施 例中，第一测量控制信号505为一个高电平信号，该信号被送给数字逻辑电路211。作为另 外的实施方式，第一测量控制信号505也可以为一个低电平信号。第二电压比较器502的正输入端通过电阻R12与输入端hput串联连接，用 于从被测电容208获取模拟电压信号，其负输入端用于输入第二阈值电压VL，第二电 压比较器502将正输入端电压信号与第二阈值电压VL比较，当正输入端电压 信号低于第二阈值电压VL时，通过输出端0utput2输出第二测量控制信号506，在本实施 例中，第二测量控制信号506是一个低电平信号，该信号被送给数字逻辑电路211 ；当正输 入端电压信号高于第二阈值电压VL时，通过输出端0utput2输出第三测量控制信号 507，在本实施例中，第三测量控制信号507为一个高电平信号，该信号被送给数字逻辑电 路211。作为另外的实施方式，第二测量控制信号506也可以为一个高电平信号，第三测量 控制信号507也可以为一个低电平信号。在本实施例中，通过电阻R9、R10和Rll将参考电压Vref分配给第一阈值电压VH 和第二阈值电压VL。在本实施例中，电阻R13连接在正输入端hi+和输出端Outputl之间，电阻R14 连接在正输入端和输出端0utput2之间，电阻R13和电阻R14分别给第一电压比较器 501和第二电压比较器502提供正反馈，可以使得比较器工作更稳定。在本实施例中，电阻 R13和电阻R14的大小为电阻R12大小的30倍左右，因此正反馈量相对输入端hput的模 拟电压信号很小，可以假定认为第一比较器正输入端hi+和第二比较器正输入端的 电压大小跟输入端Input的模拟电压大小相等。并且，为了实现正确的充放电过程，第一阈值电压VH要大于第二阈值电压VL ；为 了使A/D转换模块209的输入不饱和，第一阈值电压VH取小于A/D转换模块209的最大输 入额定电压，第二阈值电压504取大于A/D转换模块209的最小输入额定电压；为了使充电 电压跟噪声电压之比尽量大，第一阈值电压VH和第二阈值电压VL之差的绝对值要尽量大。 在本实施例中，第一阈值电压VH设置为2. IV，第二阈值电压VL设置为0.7V。作为另外的 实施方式，第一阈值电压VH和第二阈值电压VL也可以选用其他数值，比如，第一阈值电压 VH设置为2. 5V，第二阈值电压VL设置为0. 5V。或，第一阈值电压VH设置为2. 8V，第二阈值电压VL设置为0. 2V。再参考图2，控制处理模块215包括数字逻辑电路211、处理器系统212、显示模块 213和输入模块214。在本实施例中，数字逻辑电路211和处理器系统212通过FPGA器件 实现。数字逻辑电路211用于控制电容测量过程，根据第一测量控制信号505、第二测量 控制信号506和第三测量控制信号507，控制充电开关202和放电开关204的通断，为被测 电容208充放电，并且根据这些测量控制信号控制A/D转换模块209获取被测电容208的 电压值，转换成数字电压信号后发送给数字逻辑电路211。数字逻辑电路211中还具有充电 计时器，用于测量被测电容208的充电时间At。处理器系统212根据用户通过输入模块214输入的电流大小，设定充电恒流源201 的电流Ic的大小，并通过数字逻辑电路211控制充电恒流源201输出合适的电流Ic。用户 可以根据需要测量的电容的大小选择合适的充电电流Ic。作为另外的实施方式，处理器系 统212也可以通过编程实现自动选择最佳测量量程，例如可以通过将测量值与量程上下限 比较的方法选择最佳量程。并且处理器系统212从数字逻辑电路211中获取充电时间和数 字电压值，并根据这些参数计算被测电容208的电容值。根据公式C = Ic At/Δ V，其中，I c是充电恒流源201输出的电流值。At是数字逻辑电路211测量得到的充电时间。AV是A/D转换模块209测量得到的电压值。在本发明中，数字逻辑电路211的充电计时器中设定两个充电结束条件最大充 电时间和第一阈值电压VH。在达到充电结束条件时，充电计时器结束计时，并且控制A/D转 换模块209测量此时的电压。通过上面的方法得到公式中的充电时间At和电压值AV，从 而计算得到被测电容208的电容值。下面详细介绍电容测量过程参照图6，用户启动电容测量功能后，1、首先进入放电过程D，数字逻辑电路211控制充电开关202断开，放电开关204 闭合，放电恒流源203通过第二分压电路206和放电开关204为被测电容208放电，被测电 容208两端的电压下降；2、在放电过程D中，当双限比较器210中的第二电压比较器502检测到被测电容 208的电压低于第二阈值电压VL时，通过其输出端0utput2输出第二测量控制信号506给 数字逻辑电路211，数字逻辑电路211根据第二测量控制信号506控制电容测量进入预充过 程PC。由于双限比较器210的检测动作、充电开关202和放电开关204的动作存在延时，而 被测电容208在延时期间的电压会下降很多，所以需要要进行预充。进入预充过程PC后， 数字逻辑电路211控制充电开关202闭合，放电开关204断开，充电恒流源201通过充电开 关202和第一分压电路205为被测电容208充电，被测电容208的电压上升。3、在预充过程PC中，当双限比较器210中的第二电压比较器502检测到被测电容 208的电压高于第二阈值电压时，通过其输出端0utput2输出第三测量控制信号507给数字 逻辑电路211，数字逻辑电路211根据第三测量控制信号507控制电容测量进入保持过程 H，数据逻辑电路211控制充电开关202和放电开关204断开，被测电容208的电压保持不变，此时数字逻辑电路211控制A/D转换模块209测量被测电容208的电压，得到初始电压 VI。4、A/D转换模块209测量完毕后，数字逻辑电路211控制电容测量进入充电过程 C，数字逻辑电路211控制充电开关202闭合，放电开关204断开，充电恒流源201通过充电 开关202和第一分压电路205为被测电容208充电，被测电容208的电压上升，同时数字逻 辑电路211控制其中的充电计时器清零，并开始充电计时。5、如果被测电容208的电压在充电计时器的充电时间达到最大充电时间之前，双 限比较器210检测到被测电容208的电压超过第一阈值电压VH，则输出第一测量控制信号 505，数字逻辑电路211根据第一测量控制信号505控制电容测量进入保持状态，控制充电 开关202和放电开关204断开，并控制充电计时器停止计时，记录充电时间Δ t，同时控制 A/D转换模块209测量被测电容208的终止电压V2。此时，一个测量周期完成，处理器系统212从数字逻辑电路211中读取充电起始电 压VI、充电终止电压V2和充电时间At，并根据公式C= Ic At/Δ V计算被测电容208的 电容值大小，其中Ic是充电恒流源201输出的电流值，AV = V2-V1。5’、参见图7，如果被测电容208的电压在充电计时器的充电时间达到最大充电时 间时，没有上升到第一阈值电压VH，数字逻辑电路211控制电容测量进入保持状态H，控制 充电开关202和放电开关204断开，并且控制充电计时器停止计时，同时控制A/D转换模块 209测量被测电容208的终止电压V2，。此时，一个测量周期完成，处理器系统212从数字逻辑电路211中读取充电起始电 压VI、充电终止电压V2’和充电时间At’(最大充电时间)，并根据公式C= Ic At’ /Δ V 计算被测电容208的电容值大小，其中Ic是充电恒流源201输出的电流值，AV = V2’_V1。作为进一步的说明，本实施例中的双限比较器210也可以采用窗口比较器实现； 如果A/D转换器速度足够快，也可以通过FPGA、CPLD等数字逻辑器件实现。作为进一步的说明，本实施例中的第一分压电路205和第二分压电路206也可以 采用普通电阻、PTC电阻等具有分压功能的电路实现。本实施例所述的数字万用表具有如下优点1、在设定同样充电电流的情况下，本实施例所述的万用表具有更宽的电容测量范 围；2、在进行充电过程之前，先对被测电容进行预充电，解决了由于器件反应延时，电 容过放电的问题；3、采用恒流源进行放电，放电速度更快，可以进一步缩短测量周期。以上具体实施方式
仅用于说明本发明，而非用于限定本发明，本领域一般技术人 员根据上述设计思想所作的任何不具有创造性的创造，均应视为在本专利的保护范围之 内。
权利要求
1.一种具有电容测量功能的测量装置，包括一个充电模块，一个放电模块，一个A/D转 换模块和一个控制处理模块，所述的充电模块，用于在控制处理模块的控制下，为被测电容充电； 所述的放电模块，用于在控制处理模块的控制下，为被测电容放电； 所述的A/D转换模块，用于在控制处理模块的控制下，测量被测电容上的电压； 所述的控制处理模块，用于测量被测电容的充电时间， 其特征在于还包括一个第一电压比较器，所述的第一电压比较器对被测电容的电压高于一个第一 阈值电压敏感，产生一个第一测量控制信号；所述的控制处理模块对所述的第一测量控制信号敏感，使所述的充电模块停止为被测 电容充电，使所述的A/D转换模块测量被测电容上的电压。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的第一阈值电压小于或等于所述的A/D转换模块的最大输入额定电压。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于 还包括一个第二电压比较器，所述的第二电压比较器对被测电容上的电压低于一个第二阈值电压敏感，产生一个第 二测量控制信号；对被测电容上的电压高于所述的第二阈值电压敏感， 产生一个第三测量控制信号；所述的控制处理模块对所述的第二测量控制信号敏感，使所述的放电模块停止为被测 电容放电，使所述的充电模块为被测电容充电；所述的控制处理模块还对所述的第三测量控制信号敏感，首先使所述的充电模块先停 止为被测电容充电，使所述的A/D转换模块测量被测电容上的电压，然后再使所述的充电 模块为被测电容充电，并同时开始测量充电时间。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述的第二阈值电压信号大于或等 于所述的A/D转换模块的最小输入额定电压。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的测量装置，其特征在于还具有一个最大充电时间， 所述的控制处理模块对所述的充电时间达到所述的最大充电时间敏感，使所述的充电模块 停止为被测电容充电，使所述的A/D转换模块测量被测电容上的电压。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于在被测电容与所述的充电模块之间 串联有一个第一分压电路，用于为所述的充电模块提供过压保护，在被测电容与所述的放 电模块之间串联有一个第二分压电路，用于为所述的放电模块提供过压保护。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的测量装置，其特征在于在被测电容与所述的充电 模块之间串联有一个第一分压电路，用于为所述的充电模块提供过压保护，在被测电容与 所述的放电模块之间串联有一个第二分压电路，用于为所述的放电模块提供过压保护。
8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述的第一电压比较器、第二电压比 较器和所述的控制处理模块均由FPGA器件实现。
全文摘要
本发明提供了一种具有电容测量功能的测量装置，包括电容测量端(207)，充电模块(216)，放电模块(217)，A/D转换模块(209)，双限比较器(210)，控制处理模块(215)，第一分压电路(205)和第二分压电路(206)。本发明中，控制处理模块(215)的充电计时器设有两个充电结束条件最大充电时间和第一阈值电压VH。在达到充电结束条件时，充电计时器结束计时，并且控制A/D转换模块(209)测量此时的电压。通过上面的方法得到公式C＝IcΔt/ΔV中的充电时间Δt和电压值ΔV，从而计算得到被测电容(208)的电容值。本发明的测量装置解决了现有技术中不能自动适用于测量小电容和大电容的问题。
文档编号G01R27/26GK102072989SQ20101053490
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者李维森, 王悦, 王铁军 申请人:北京普源精电科技有限公司