微小电容测量电路
一种高精度测量微小电容的电路
为实现低功耗 的系统 ， 电路 不工作 时 ， 即接通 电源 态和 待读数态 ， 系统处于值更状态 、 超低 功耗态 Ｌ Ｍ ； Ｐ ４ 工作 时都
处于全功耗态。
因 是采用单 片机 Ａ Ｄ转换 的标 准 电压 １５ Ｖ， ≤ ． 观 １５Ｖ， ｎ值、 与 凡 的 比值 ， ． 故 碰 直接影 响恒 流源 电流的输 出， 只要保证 小于 １５Ｖ时 ， 电路输 出 电流为恒 定值 ， ． 该 与负载 电阻 碰 没有关 系。
图 ３ 恒 流 源 原理 图
基 金 项 目： 防科 技 重 点 实验 室基 － ００ １０ ） 国 ￣（ ４ １０７ ， 作者简介 ： 邵学涛（ ９４ ， 山 东济宁人 ， 士研 究生， 究方 向： 态测试与 智能仪 器。 １８ 一） 男， 硕 研 动
６
由 虚短 虚 断 可 得
＝ ＵＬ ＋ ．
＋ｒ ） ｅ 的周期完成 Ａ Ｄ变换 和数据存储 。其 中 ， 的最 大值 ｎ
小于充 电时间 ，２的最小值大于放 电时间 。 ７
２ 硬 件 设计
２ １ 恒 流 源 的 设 计 ．
１ 原理 分析
恒流源是整个 测量系统模拟部分的重要组成 部分 ， 其稳 定性直接决定 了系统测 量的精度 。本 设计 中的两个 恒流 源 要求 输出电流相等 ， 具体设计如 图 ３ 。
在整个过程 中 ， 单片机要产生一个频率为 １０ｋ ｚ 占空 ０ Ｈ ， 比为 ９ ％的 Ｐ ０ ＷＭ波 ， 以控 制 Ｋ 、＜ 用 １Ｉ ２的通 断 ， 要 以 （ 还 ｎ
容的高精度 ， 高频率测量 。由于采用 了差 动式测 量 ， 设计 本
可 以有效地 减小 非线性误差 ， 提高传感器灵敏度 ， 减少 干扰 ， 减少寄生 电容 的影 响。若 选用高性 能模拟 开关 能大大 减小 电荷 注入效应的影响 。在检测 ０～ Ｆ的实验 中 ， ５ｐ 采样 频率 可以达到 １０ｋ ｚ有效精度位最高可达 １ 。 ０ Ｈ ， ２位
一种测量微小差分电容的检测电路[发明专利]
![一种测量微小差分电容的检测电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/cd2112a9852458fb760b56d8.png)
专利名称：一种测量微小差分电容的检测电路专利类型：发明专利
发明人：房建成,宋星,盛蔚,马艳武,乙冉冉,万双爱申请号：CN200810112292.2
申请日：20080522
公开号：CN101285859A
公开日：
20081015
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种测量微小差分电容的检测电路，包括选频电路、锁相环跟踪电路、逻辑门电路和低通滤波电路；其中，选频电路和锁相环跟踪电路组成谐振单元，该谐振单元的谐振频率由待测差分电容的大小决定。
由差分电容构成的两组谐振单元在后端逻辑门电路和低通滤波电路的作用下可以实现正比于差分电容大小的频率输出。
本发明检测精度和输出线性度高，温漂小，抗干扰能力强；电路结构简单，便于工程化和集成电路制作。
本发明适用于医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量领域中基于微小差分电容敏感机理的测量。
申请人：北京航空航天大学
地址：100083 北京市海淀区学院路37号
国籍：CN
代理机构：北京科迪生专利代理有限责任公司
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微小差分电容检测电路设计-任务书
中北大学
毕业设计（论文）任务书
学院、系：信息与通信工程学院
专业：通信工程
学生姓名：学号：
设计(论文)题目：微小差分电容检测电路设计
电路设计
起迄日期: 2006年3月1日~2006年6月15日
设计(论文)地点:电子工程系
指导教师:
系主任:
发任务书日期: 2006年3月1日
任务书填写要求
1．毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在系的负责人审查、系领导签字后生效。
此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；
2．任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；
3．任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写；
4．任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。
学生的“学号”要写全号（如020*******,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；
5．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。
如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）任务书。
基于开关电容放大器原理的微小电容检测电路
基于开关电容放大器原理的微小电容检测电路下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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测电容的方法
测电容的方法测量电容是电子技术中非常重要的一个环节，它可以帮助我们了解电路中的电容值，从而确保电路的正常运行。
下面将介绍几种测量电容的方法，希望对大家有所帮助。
首先，最简单的方法是使用万用表。
将万用表调至电容档位，然后将待测电容的两端与万用表的两个测试笔相连接。
在测量之前，需要确保待测电容已经放电，以免影响测量结果。
接着，读取万用表显示的数值，即可得到待测电容的电容值。
需要注意的是，测量电容时要选择适当的测量范围，以免损坏万用表。
其次，还可以利用示波器来测量电容。
将待测电容与一个已知电容串联连接，然后将串联电容接入示波器。
通过观察示波器显示的波形，可以得到待测电容和已知电容的等效电容值。
这种方法适用于需要测量较大电容值的情况，同时也可以利用示波器显示的波形来判断电容的质量。
另外，还可以通过频率测量法来测量电容。
将待测电容与一个已知电感串联连接，然后将串联电容接入一个频率可调的交流电源。
通过调节频率，当串联电容和电感的共振频率达到时，可以得到待测电容的电容值。
这种方法适用于需要测量较小电容值的情况，同时也可以通过测量共振频率来得到电容值。
最后，还可以利用LCR测量仪来测量电容。
LCR测量仪是一种专门用于测量电感、电容和电阻的仪器，它可以直接读取待测电容的电容值，并且可以自动判断电容的正负极性。
这种方法操作简单，测量精度高，适用于各种电容值的测量。
总之，测量电容的方法有很多种，我们可以根据实际情况选择合适的方法来进行测量。
无论是使用万用表、示波器、频率测量法还是LCR测量仪，都需要注意操作规范，以确保测量结果的准确性。
希望以上介绍的方法能够对大家有所帮助，谢谢阅读！。
基于PS021微小电容低功耗测量电路的设计
噪声 、 抗杂散性等要求 ］ 。 目前 ， 内外在测量 １ Ｆ以下的 电容都 存在很 大的 困 国 ０ｐ
转换器 ） 技术而产生 ， 使之成 为一 种完全集 成的超低 功耗 、 超
高精度测 量芯片。这种数字 测量原 理提供 非常高 的测量 灵
很好 的稳定性 ， １ ｚ 在 ＯＨ 刷新频率时能够达到 ６ａ Ｆ的有效精 度， 最高刷新频率 可达 ５ Ｈ 【 ， ０ｋ ｚ３ 高精度高刷 新率 可缓 和测 Ｊ
量速度和分辨力的矛盾。
参考 电容 充放 电测得 ｒ ＝Ｒ ｒ ， 。 ｃｅ 传感器 电容充 放 电测 ｆ
得 ７ ＝Ｒ ｓｎｏ ， － Ｃ ｅｓｒ根据芯片 内部算法 计算 出 ｒ／ ｌ ｓｎｏ ２ ２ｒ ：Ｃｅｓ￣ ｃ ， 陀ｆ其中 ｃｅ 为 已知 电容 ， ｒｆ 最后 得到 ｌ ６位 的数据 ， 而实 从 现了对传感器 电容 的测量 。Ｐ ０ １控制 模拟 开关 使得 充放 Ｓ２
和强 烈振动等恶劣条件下工作等优点 。
由于电容式传感 器输 出的电容信号很小 （ Ｆ～１ Ｆ ， １ｆ ０ ｐ ）
Ｐ０ １ 片基 于 Ｔ Ｃ Ｔｍ － — ｉｔｌ ｏｖｎ ｒ 间 数 字 Ｓ２ 芯 Ｄ （ ｉｅｔ Ｄ百 ａ Ｃ ｎｅ ｅ 时 ｏ
同时存在传感器及其 连接导线杂散电容和寄生 电容 的影 响 ，
难， 测量电路多是采用 电荷转移 法或交 流法 ， 即将 电容 量转
换 为 电压 或 电流 ， 电路 往 往 受 到 电 子 开 关 的 电荷 注 入 效 应 的
影响 ， 并且其 提高测量速度和提高分辨力 的矛盾难 以解决 。
本文拟 采 用 德 国 Ａ Ａ 公 司 的 通 用 电容 检 测 芯 片 ＣＭ Ｐ ０ １芯片进行微小 电容 测量 电路 的设 计。该 芯 片把 电容 Ｓ２ 测量转化为精确的时间测量 ， 内部算法可 以很好地抑制 寄生
试述微小电容的测量方法及测量电路系统设计
的精确测量 。这种方法 是把被测电容 （ 可有漏导） 放在一个桥臂 ，可 调的参考 阻抗放 在相邻 的另一个桥臂 ，二桥臂分别 接到频率相同 、电 压相同的两个信 号源 上。调节参考阻抗使桥路平衡 ，则被测桥臂中的 阻抗 与参 考阻抗共轭 相等。该方法 的主要优点 为 ：选用 器件少 ，电路 简单 ，易于小型化。其缺点主要为 ：由于远离平衡位置时非线性较大 ， 输 出阻 抗 很 高 ，输 出 电压 很 小 。 ２ 测 量 电路 系统 设 计 ２１ 微 电容测量电路设计要求 ． 在 Ｅ Ｔ电容测量 中，电容传感器内充以两相 介质时 ，两电极间互 Ｃ 电容的变化量是 流体相 含率及其空间分布 的函数 ，而相 含率变化所引 起 的互 电容变化量一般为 ０１ １ 皮法 （ｆ ． ． ～０ ｐ）左右 ，且不 同的电极对之 间的电容量相差很大 ，相邻 电极对问 的电容 比相对 电极对 问的电容要 大数百倍 ，同时杂散 电容远远大于待测电容 ，因此应用于 Ｅ Ｔ的电容 Ｃ 检测 电路应当具有 以下特点 ：１ ）低漂移 、能抑制杂散 电容 、消除损耗 电导 的影 响；２ ）高分辨率 ，最小可分辨信号 ０ ｆ ；３ ＂ Ｆ ）线性度好 ，非 ． １ 线性误差 ≤ｌ ）高信噪比 ，信噪 比≥ｌ０ Ｂ ）测量范围足够宽， Ｏ ；４ ０ ｄ ；５
能 测 量微 小 电容 的 变 化 。 关键 词 ： 电容 层 析 成像 ； 小 电容 ； 量 电路 微 测
电容式传感器是将 被测量 的变 化转换成 电容量变 化的一种装 置。 电容式传感器具有结构简单 、分辨力 高、工作 可靠 、动态响应快 、可 非接触测量 ，并 能在 高温 、辐射和强烈振动等恶劣 条件 下工作等优点 已在工农业生产 的各个 领域得到广泛应用 。其 中微小 电容测量是关键 技 术 之 一 。这 里 介 绍 了 最 常 用 的 四 种 微 小 电容 检 测 方 法 ，设计 了 基 于 交 流激励的电容测量 电路 ，分析了电路 的工作原理 ，给出 了实验结果 ； 该 电路 的特点是 动态测 量范围宽 ，灵敏度高 ，可灵 活应用 于不同的应 用场合 。
指针式万用表MF47的原理与测量方法和测量电路
万用表的使用（MF47）●万用表的原理图与工作原理●万用表的电阻档测量原理图及实际电阻色环图片表●三极管引脚判断及常用三极管直流放大倍数表●万用表的电容测量及微小电容测量方法与电路分析●For personal use only in study and research; not for commercial use ●●万用表测量驻极体话筒、喇叭、稳压管稳压电压、光敏电阻等●在线电路电容、电阻测量●万用表使用技巧与注意事项第一节：万用表的原理图与工作原理南京 MF 47型指针式万用表原理电路图（1）从图（1）中我们可以分析出，其测量电阻，直流电压，交流电压和直流电流的原理可等效为图（2）所示。
测量原理，图（2）从图（2）中可以得出以下结论：测量外接直流或交流电压与直流电流时，万用表电池可有可无。
实践一：将万用表的电池1.5v和9V全取出，然后用其直流电压档测电压，结果显示为1.5v和9v。
万用表不用时不要打到电阻档，其他档可以，最好OFF因为打到Ω档，如果两表笔（黑红）放置时不小心短路或接了一个具有一定电阻的东西会用使万用表电池耗电而减少万用表使用周期；然而非Ω档未用到电池，故不会耗电。
第二节：万用表电阻档工作原理图电阻色环对应表第三节：三极管引脚判断：1.判断三极管的基极及三极管类型用MF47指针式万用表的电阻1k档测量三极管任意两脚电阻（其中一表笔不动，另一个表笔分别接三极管另外两脚），发现两次测量指针都偏置了，那么一表笔不动的即为基极b，如果该表笔是黑，则只是NPN型，如果是红表笔，则为PNP型。
2.三极管c、e两极判断仍然用万用表的1K档。
以NPN为例分析，用左手的大拇指和食指捏住基极b 与另外一极（主要是利用人的电阻，大概在几百K到1M左右），用黑表笔连用手捏着的非基极，另一表笔接非手捏着的一极，若指针偏转大，则与基极捏着的一极为集电极，非手捏着的为射极。
此时电路构成放大电路，所以指针偏转很大，等效电路如图（2.0）：若指针不偏转，则与基极捏着一起的那极为射极e，非手捏着的为集电极。
电容层析成像系统微小电容测量电路的设计
ｐｅ ｏｕ ．Ｏ ｕ ｘ ｒｍ ｅ ｔ ｅ ｕ ｔ ｈ ｒｈ ｒ ｒ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏｗ ｈ ｉｃ ｔ ｉ ｓ ｒ ｆ ｎ ｔ ｅ ｃ ｒ ｕｉ ｓ ａ ｉ ｙｉ ｇ． ｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｅ ｅ ｔ ｉａｌ ａｐａ ｉａｎｃ ｔ ｙ ｒｓ ｌ ｃ ｒ ｃ ｃ ｃｔ ｅ ｏｍ ｏｇｒ ａｐｈｙ； ｍｅ ｕｒ ｍ ｅ ｃ ｒ ｕｉ ｆ ｌ ａｓ ｅ ｎｔ ｉ ｃ ｔ ｏｒ ｏｗ ｃ ａｐａｃ ｔ ｉａｎｃ ； ｔ ｅ ｗｏ— — ｐｈａ ｅ ｌ ｓ ｆｏｗ
数 进 行 测 量 的要 求 也 更 加 迫 切 ［ 目前 ， 容 层 析 成 １ １ ． 电 像 Ｅ Ｔ技 术 被 公 认 为 是 解 决 该 问 题 的 最 为 有 效 的 Ｃ 途 径 ． Ｃ 系统 由多极 板 阵列组 合 电容 传 感 器、 ＥＴ 数 据 采集 系 统 和 成 像 计 算 机 组 在 ， 中 微 小 电容 测 量 其
士
口
成 为其 关 键 和难 点 之一 ． 因此 本 文 研 制 了一 种 用 于 Ｅ Ｔ系 统 的 微 小 电容 测 量 电 路 ． Ｃ
随 着 工 业 技 术 水 平 的 不 断 提 高 ， 封 闭 管 道 内 对
流 体 的计 量 和 控 制 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 两 相 流 参 对
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｔ ｃ ｏ ｏｇ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ｃ ｐａ ｉ ｎ ｅ ｔ ｍ ｏ ｒ ｐｈ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｔ ｅ ｄ，ａ ｄ ｉ ｈｉ ｓ ｓ ｅ ｈｎ ｌ ｙ ｏｆ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ａ ｃｔ ｃ ｏ ａ ｇａ ｙ ｓ ｈ ｉ ｒｎ ｎ ｎ ｔ ｓ ｙ ・ ｔ ｍ ｈ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｏｆ ｌ ｅ ｔ ｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｏｗ ａ ｕ ａ ｃ ｔ ｎ ｅ ｉ ｎｅ ｏ ｈ ｅ ｓ ａ ｈ ｆ ｃ ｌ ｏｂ ｅ ．Ｉ ｉ ｗ ｖ ｌ ｅ ｃ ｐａ ｉａ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｋ ｙ ｎｄ ｔ ｅ ｄｉ ｕ ｔ ｐｒ ｌ ｍｓ ｎ ｖ ｅ ｉ ｏ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ｃ ｐａ ｉａ ｅ ｏｍ ｏ ｒ ｐｈ ｙ ｔ ｍ ，ａ ｍｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｃ ｒ ｕ ｔ ｆ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉａ ｐ ｃ ｔ ｎ ｏｍ ｏ ｒ — ｆ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ａ ｃ ｔ ｎｃ ｔ ｇ ａ ｙ ｓ ｓｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｉｃ ｉ ｏ ｌ ｃ ｒ ｃ ｌ ｃ ａ ｉａ ｃ ｔ ａ ｅ ｇ ａ
振荡式微小电容测量电路
振荡式微小电容测量电路邵学涛;李新娥【摘要】微小电容的测量成了电容传感器能否广泛应用的关键技术.针对目前微小电容测量系统刷新率低,体积大的现状,本文提出了一种电容-频率转化电路,该电路将电容传感器接入方波振荡回路中,振荡波形频率随电容的改变而改变,通过对振荡波形的处理,积分电路可以将微小的电容信号转换成电压的变化.该测量系统具有功耗低、体积小、分辨率高、刷新率高的特点,可以高精度高频率测量电容传感器的变化.文中详细阐述了测量电路的基本原理和具体实现.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】4页(P50-53)【关键词】微小电容;积分电路;电容传感器【作者】邵学涛;李新娥【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西,太原,030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西,太原,030051【正文语种】中文【中图分类】TP212.90 引言电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。
电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用[1]。
本文采用振荡法测量微小电容，电容式传感器和外部元件组成振荡电路，频率变化的振荡信号经过处理，转换为电压幅值的变化，经单片机AD采集后，反算出电容的变化量。
电容的改变转化为输出频率的变化，可以是正弦波输出，也可以方波输出。
正弦波的输出比起方波来，波形更容易受到干扰和衰减，而且方波的频率也更容易用单片机来测量。
1 原理分析测量电路原理方框图如图1所示：将电容传感器接入振荡回路中，作为回路的一部分。
当被测的电容传感器改变时，振荡器的振荡频率随之改变，也即振荡器频率受传感器电容所限制。
图1 设计原理图振荡器的振荡频率为f，振荡范围是振荡周期为t= ，则n个振荡周期的时间为t=nτt。
存在一个恒定的时间T，满足T＜tmin ，令Δt=t− T = n τt − T ，0.5μu s ＜Δt ＜1.22μus 。
容栅测量芯片
容栅测量芯片
容栅测量芯片（Capacitance-Feedback Measurement Integrated Circuit，简称CFMIC）是一种能够实现高精度测量微小电容值的集成电路。
CFMIC通常由一个输入电容、一个反馈电容、一个反馈电阻和一个运算放大器组成。
它的工作原理是通过将待测电容与反馈电容并联，将其组成一个电容分压器，然后通过运算放大器放大分压信号，最后将放大后的信号输出给外部电路。
CFMIC的优点是具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本等特点。
它被广泛应用于电容传感器、生物传感器、微机电系统（MEMS）等领域。
在电容传感器中，CFMIC可以测量被测物体与电极之间的电容，从而实现对被测物体的位置、形状和质量等参数的测量。
在生物传感器中，CFMIC可以测量生物分子与传感电极之间的电容，从而实现对生物分子的检测和分析。
在MEMS中，CFMIC可以测量微型机械结构与电极之间的电容，从而实现对微型机械结构的运动和变形等参数的测量。
总之，CFMIC是一种能够实现高精度测量微小电容值的集成电路，具有广泛的应用前景。
静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计检测电路研究
静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计检测电路研究
王绥辉;徐恒通;李刚;韩晓东;孙雯君;成永军;李得天
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2024(30)2
【摘要】静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计量程宽、稳定性高,具有广阔的应用前景。
测量电路是保证静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计性能的关键因素。
采用交流激励式检测方法,设计了一种微小电容检测电路,并利用软件仿真和实验测试进行验证。
结果表明,该电路能够快速检测微小电容并将其转换为直流电压信号,分辨率为0.33 V/pF。
此外,抗驱动电压干扰测试表明,该电路能够在1~100 V范围的直流驱动电压下正常工作,电容测量的输出电压最大标准差为0.010 249 V,并且具有优异的稳定性。
【总页数】7页(P105-111)
【作者】王绥辉;徐恒通;李刚;韩晓东;孙雯君;成永军;李得天
【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB772
【相关文献】
1.MEMS电容薄膜真空计微电容测量研究进展
2.MEMS型电容薄膜真空计研究进展
3.MEMS电容薄膜真空计及其性能研究
4.MEMS电容薄膜真空计关键技术研究
5.MEMS型电容薄膜真空计的关键技术研究进展
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微小差分电容检测电路设计
微小差分电容检测电路设计摘要电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。
由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。
本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。
实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。
关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容Design of measured circuit about micro differential capacitiveAbstractThe capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro differential capacitance sense is introduced in the text.The experiment results show a good correspondence with the theoretical analysis. The basic principle of the method and the principle of choose the parameters in the circuit are provided and test conclusion is given. The measurement is free of stray immune capacity, low-cost and easy for realization.Key word: differential capacitance, high frequency signal, capacitive sensor,stray-immune capacitance目录1 绪论11.1 电子测量技术的发展 (1)1.1.1 电子测量的特点 (1)1.1.2 常用的几种电容测量方法 (2)1.2 课题研究的目的和意义 (3)1.3 本课题的任务和内容 (4)2 电容式传感器52.1 电容传感器的分类 (5)2.1.1 变极距型电容传感器 (6)2.1.2 变面积型电容传感器 (8)2.1.3 变介电常数型电容传感器 (9)2.2 电容传感器的特点 (10)2.2.1 优点 (10)2.2.2 缺点 (10)2.3 应用中存在的问题 (11)2.3.1 附加损耗 (11)2.3.2 边缘效应 (12)3 电容电压转换电路133.1 变压器电桥 (13)3.2 二极管T型网络 (13)3.3 谐振法 (14)3.4 差动脉冲调宽电路 (14)3.5 运算放大器电路 (16)4 两种微小电容检测的方法174.1 直流充放电法 (17)4.2 高压双边交流激励法 (18)5 消除寄生电容的屏蔽技术205.1 增加传感器原始电容值 (20)5.2 传感器的接地和屏蔽 (20)5.3 集成化 (20)5.4 “驱动电缆”技术 (20)5.5 运算放大器法 (21)5.6 整体屏蔽 (21)6 电路设计与Multisim2001仿真分析236.1 测量原理 (23)6.2 电路设计 (24)6.2.1 高频信号发生器 (24)6.2.2 C/V转换及放大电路 (24)6.2.3 全波整流 (29)6.2.4 低通滤波 (30)7 结论34附录微小差分电容检测电路图35参考文献36致谢38外文文献原文译文1 绪论1.1 电子测量技术的发展测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是人们认识和改造自然的一种不可缺少的手段。
小电容冲击电路小
小电容冲击电路小
小电容冲击电路是一种用于测量微小电容值的电路。
在电路中，小电容的冲击会产生一个短暂的电流或电压变化，这个变化可以被测量并用于计算电容值。
这种电路通常用于测量皮法（pF）级别的电容，这些电容值非常小，难以用传统方法准确测量。
小电容冲击电路的基本原理是利用电容器在充电和放电过程中的电压和电流变化来测量电容值。
当电容器被充电时，电压会随时间线性增加，而电流则会逐渐减小。
当电容器放电时，电压会随时间线性减小，而电流则会逐渐增加。
通过测量充电和放电过程中的电压和电流变化，可以计算出电容器的电容值。
为了实现小电容冲击电路的测量，需要使用高精度的测量设备，如高速示波器、微电流放大器等。
同时，还需要对电路进行精心的设计和优化，以减小杂散电容和噪声的影响，提高测量的精度和稳定性。
小电容冲击电路在电子设备制造、材料科学研究等领域有着广泛的应用。
例如，在电子设备中，微小电容的变化可能会影响电路的性能和稳定性，因此需要对它们进行精确的测量和控制。
在材料科学研究中，微小电容的变化可以反映材料的物理和化学性质，因此可以用来研究材料的结构和性能。
需要注意的是，小电容冲击电路的测量结果受到多种因素的影响，如环境温度、湿度、电源稳定性等。
因此，在进行测量时需要对这些因素进行严格的控制，以获得准确可靠的测量结果。
基于TDC的高精度微电容测量系统设计
基于TDC的高精度微电容测量系统设计作者：黄峰刘敬彪于海滨潘勉来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期摘要提出一种基于Pcap01AD的微小电容测量电路设计，可对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量。
该设计基于TDC（时间数字转换）原理，系统硬件主要由STM32F101C8T6单片机和Pcap01微电容测量芯片两部分组成。
系统软件包括下位机软件和上位机软件，下位机主要完成对电容测量数据的读取以及发送至上位机，上位机则对数据作进一步处理和显示。
实验证明，该系统的测量精度非常高，在以22pF为基础电容时，其测量最小误差率仅为9.8×10-7%。
【关键词】TDC 高斯分布微电容测量 Pcap01AD在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等测量领域，经常利用电容效应来测量板间介电常数和位移等重要参数。
然而，当前的电容效应在这些领域应用中存在两个问题：（1）电容信号的输出信号往往很小（1fF～100Pf）；（2）传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容难消除并且严重影响测量结果。
因此，如何对微小电容进行高精度测量是当今电容测量领域亟待解决的难题。
目前微小电容测量主要集中在高度集成化方向。
美国Irvine Sensors公司的通用电容检测芯片MS3110能够达到4aF的分辨率，0.5～8KHz采样频率；美国ADI公司的AD7746芯片能够达到4fF的分辨力，采样频率最高为90Hz；德国GEMAC公司的HT133芯片能够达到0.16fF的分辨力，采样频率最高为20KHz；德国ACAM公司的通用电容检测芯片Pcap01AD 是一款专用的微电容测量芯片，该芯片基于TDC原理，具有高速、高精度以及低功耗等优点。
本设计利用Pcap01AD对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量，在1Hz的测量频率下其最小误差率仅为9.8×10-7%。
1 Pcap01AD主要特性及原理1.1 测量原理Pcap01AD将“放电时间测量”作为测量电容的原理。
基于AD7150微小电容测量方法的研究
间，在转换过程 中，激励信 号作用在被测 电容 上 ，调制器 不断对被测 电容 Ｇ进行采样 。 数字滤 波器对调制器 的输 出进 行处理，生成包含 ０ １的数据流。通过 自适应式 阈值算法 和 和输 出比较器对数据进行处理 ， 最后数据通过 串行接 口读 出。
赵军荣
刘双峰
镰娟
一
、
引 言
电容传感器 广泛的应用于多种检 测系统中 ，用 以测量诸 如液位、压力 、位移 、加速 度等物理量 ，但 目前
大 部 分 电容 测 量 方 法 集 成 化 水 平 低 、 精度 低 ， 因而 对 电 容特 别 是 对 微 小 电容 的 精确 测 量 始 终 是 一 个 很 重 要 的 课 题 。在 某 些场 合 ， 传 感 电容 的变 化 量 往 往 仅 有 几 个 或 几 十 个 皮 法 大 小 ，这 就 对 电 容 测 量 电路 提 出 了更 高 的 要求 。 目前 用 于 解 决测 量微 小 电容 的 方 法 主 要 有 电荷 转 移 法 和 交 流 法 ， 这 两 种 电路 的基 本 测 量 原 理 是 通 过 激 励
信 号连续对 电容充放 电，形成与被测 电容成 比例的 电流或 电压信 号，从而测量 出被测 电容值 。它们的共 同缺 点是脉 动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿 ，电路结构相对 复杂，成本也较高 。本文提出的基于 ＡＤ７ ５ １０
电 容 数 字 变 换 器 的 电容 测 量 电 路 ，通 过 持 续 的对 被 测 电容 提 供 激 励 ， 不 断 的 对 被 测 电容 电荷 进 行 采 样 ， 经 过 内部 电荷 调 节 器 和 数 字 滤 波 器 的直 接 转 化 成 数 字 信 号 ，外 部 电路 结构 简 单 ，稳 定 性 好 【。 】 ］
DT9205多用表测量电容电路的改进
DT9205多用表测量电容电路的改进摘要：介绍一种改进测量电路中的振荡器，使数字万用表D T9205测量电容的误差由±(3%+3)减小到±1%的电路和实测结果。
关键词：多用表；电容；测量；误差1对DT9205多用表电容测量电路的分析DT9205多用表中的电容测量电路如图1。
许多其他型号的多用表也用这个电路。
该电路将电容值变换成频率约为400Hz的交流电压，再经多用表中的整流电路变换成直流电压，最后由3位半A/D转换与显示驱动电路ICL7106将直流电压值变换成数字量送显示器。
上述电路可分为四级，如图2。
第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。
当R1=R2，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为其负反馈放大倍数由于该电路没有由A1F＞3到A1F=3的自动调节能力，所以，在稳态，该电路输出为被限幅的“正弦波”，谐波失真较大，即除f1以外，还有f2=2f1≈812Hz，f3=3f1≈1218Hz等谐波分量。
用EWB模拟得到的波形如图3，其峰值V01m≈V CC，V CC为运放的直流偏置电压。
第二级由R5，R6，R7和运放N3A4组成,为反向放大电路。
本级的电压增益为R7为可调电阻，调节R7可调节放大电路的增益，用于整个电容测量电路的校准。
该级放大倍数为0.02～0.04，输出V02是幅值为几十毫伏的近似方波。
第三级由D1，D2，D3，D4，R8，R9，R10，R11，R12和N3A1组成有源微分电路。
输出R n为波段开关选中的电阻，Cx为待测电容。
由式(4)可见，若V02为正弦波，则V03的有效值与Cx 成正比。
所以对电容的测量就转化为对交流电压有效值的测量。
而实际电路中，四个二极管使本级的输入波形进一步趋向于方波。
这样做的好处是使整个电容测量电路有较好的热稳定性。
考虑到运放的频率特性，将运放看作一阶单元，则微分电路是一个二阶系统。
由于运放的开环增益很大，所以闭环后电路的品质因数Q值很高，可达到几十，其幅频特性曲线有一个很大的峰。
微小电容测量
微小电容测量
范森
【期刊名称】《安徽冶金科技职业学院学报》
【年(卷),期】2009(019)002
【摘要】介绍了比较典型的微小电容测量电路及其基本原理,提出了采用数字信号处理技术实现微小电容的测量方法.简化模拟测量电路结构,提高系统整体的抗干扰能力和稳定性,使得整个测量系统仪表化.
【总页数】4页(P33-36)
【作者】范森
【作者单位】安徽冶金科技职业学院测控研究所,安徽马鞍山,243041
【正文语种】中文
【中图分类】TM531
【相关文献】
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微小电容测量方法介绍
微小电容测量方法介绍（原创版4篇）《微小电容测量方法介绍》篇1以下是微小电容的测量方法：1. 将探头E和C分别接触被测电容C1的两端。
2. 按下测试按钮，屏幕上将显示测量数据。
3. 测试5次并记录数据，以减小测量误差。
4. 通过比较测量结果和已知容量的标准电容的值，计算出被测电容的误差。
5. 测量结束后，断开电源并清洁测试仪。
需要注意的是，在进行微小电容测量时，需要保证探头和测试仪的清洁度，以避免测量误差。
《微小电容测量方法介绍》篇2以下是微小电容测量方法的介绍：1. 机械测量法：这是常用的方法。
适用于1PF到几十PF电容的测量，但不适用于小容量电容，因测试时不能微微弱交流电信号。
通常使用的工具有标准电容器、静电计等。
这种方法的准确度高，但工作量很大，很难与被测电容直接相并联，而使被测电容产生误差。
2. 电桥测量法：用单桥（或双桥）式交流电桥，测试出未知电容和标准电容的交流电桥。
使用此方法测出的电容准确度较高，但同样也不能与被测电容并联，而且测试时电桥需要不断扫描，对测量速度慢。
3. 充电法：测量系统包括已知电容的充电电阻和电流表，以被测电容Cx作为充电对象，通过恒定电流充电，达到稳定状态时，电压表显示Cx的电压。
由于Cx与测量绕线组是并联关系，所以电流通过绕组构成回路，并从表头中读取电流I。
实际上，充电时间极短，通常只有1s左右。
《微小电容测量方法介绍》篇3微小电容的测量方法有很多种，以下是几种常见的方法：1. 电容表测量法：将电容表直接接在电容两端，读取电容数值，即可知道微小电容的大小。
2. 电阻法：用电阻法测量微小电容，需要使用可变电阻，将可变电阻的电阻值设置在接近于微小电容的容量的值上，然后通过调节可变电阻，使得通过微小电容的电流达到最大值，此时可变电阻两端的电压降即为微小电容的电压降。
通过测量电流和电压降，即可计算出微小电容的容量。
3. 电压降法：将微小电容接入电源两端，并记录下此时电源的电压值。
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电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。
电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。
例如在气力输送系统中，可以用电容传感器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效途径，其中微小电容测量是关键技术之一。
电容传感器的电容变化量往往很小。
结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。
特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0.01pF，属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容(一般大于100 pF)远远大于系统的电容变化值，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。
因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。
1 充/放电电容测量电路
充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。
由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。
在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T 重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压
Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。
充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。
Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容(通过分析可知，它们不影响电容Cx的测量)。
S1-S4是CMOS开关，S1和S3同步，S2和S3同步，它们的通断受频率f的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。
分析可得电路输出为
Vo=2KR f V e C x f (1)
式中，K为差分放大器D3的放大倍数。
该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。
缺点是电路采用的是直流放大，存在较大的漂移；另外，充/放电是由CMOS
开关控制，所以存在电荷注入问题。
目前该电路已成功应用于6、8、12电极的ECT系统中。
其典型分辩率可达3*10-15F。
2 AC电桥电容测量电路
AC电桥电容测量电路如图3所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。
这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。
图3电路的缺点是无自动平衡措施，为此可采用图4所示的自动平衡AC电桥电容测量电路。
该系统输出Vd为一直流信号，ΔC为传感器的电容变化量。
式中，2/π为相敏因子。
结合平衡条件，在理论上输出Vd可写成
获得该电桥的自动平衡过程的步骤为：保证电桥未加载时ΔC=0，测量电桥非平衡值并利用公式(3)计算出电桥输出为零时所需的反馈信号Ve的值。
重新测量桥路的输出，若输出为零，则桥路平衡；若输出不为零，重复上述测量步骤，直至桥路输出为零，即桥路平衡为止。
该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也不一定理想。
通过实验测得其线性误差能达到±1*10-13F。
3 交流锁相放大电容测量电路
交流型的C/V转换电路基本原理如图5所示。
正弦信号Ui(t)对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf，和运放组成的检测器D转换成交流电压Uo(t)：
若jωRfCf>>1，则(4)式为
式(5)表明，输出电压值正比于被测电容值。
为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。
这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*10-15F。
由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限。
4 基于V/T变换的电容测量电路
测量电路基本原理如图6所示。
电流源Io为4DH型精密恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比较器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，
K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的内部计数器同时开始工作。
当电流源对电容放电至Uc=0时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比，计数脉冲与放电时间关系如图7所示。
电容电压Uc与放电电流Io的关系为：
令Uc=0，则有：
式中，N为计数器的读数；Tc为计数脉冲的周期；它是一个常数；在Us和Io为定值时，C与N成正比。
基于V/T变换的电容测量电路，对被测电容只进行一次充放电即可完成对被测电容的测量。
采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理，克服了传统测量微弱信号电路中放大器的稳定性不好、零点漂移大等缺点，且电路结构简单、测量精度和分辨率高。
5 基于混沌理论的恒流式混沌测量电路
恒流式混沌电路如图8所示。
其工作原理如下：当K1、K2断开时，K3闭合。
电容C充电使Uc=Ux，然后K3断开，待周期为t的
脉冲序列δ中的一个脉冲到达G(逻辑电路)时，G的输人信号使K2闭合，K1保持断开(此时相当于图9中的X1点)，电容开始以-0.5Io的恒定电流放电。
当Uc=0时，相当于电路中的A点，比较器翻转，输出电压Up由高电平变为底电平，Up的变化促使G变化，使G控制K1闭合、K2断开，此时电容C由恒定电流Io充电，使Uc按A-X2方向上升。
当又一个脉冲到来时(相当于图8中X2点)，G又开始变化，使K1断开、K2闭合，又一个放电充电过程开始。
这样周而复始的放电充电使Uc的变化如图9所示，只要适当调整，Io和t就可以使电路处于混沌状态。
这种方法突出的优点是测量的分辨率高，测量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变，对作为传感器的元件只要求稳定即可。
当被测电容很大时，相对误差还会减小。
此方法除了可以直接测量电容外，也可以作为电容式传感器测量其它电量和非电量。
6 基于电荷放大原理的电容测量电路
基于电荷放大原理的电容测量电路如图10所示，该电路是通过测量极板上的激励信号所感应出的电荷量而得到所测电容值的。
图中Cx为被测电容，它的左侧极板为激励电极，右侧极板为测量电极。
Cas和Cbs表示每个电极所有杂散电容的等效电容，Cas由激励信号源驱动，它的存在对流过被测电容的电流无影响。
电容Cbs在
测量过程中始终处于虚地状态，两端无电压差，因而它也对电容测量无影响，因此整个电路对杂散电容的存在不敏感。
基于电荷放大原理的电容测量电路，一方面该电路对被测电容只进行一次充放电，就可完成对电容的测量，由于测量结果是直流稳定信号，不存在脉动成分，故电路中无需滤波器。
因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。
同时该电路具有很强的抗杂散电容的性能。
另一方面该电路可以对各开关的控制时序进行合理的设计，用以较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量精度的影响问题，使电路达到了较高的分辨率。
现在此电路成功应用于12电极ECT系统中，在不实时成像的情况下，数据采集速度可达600幅/s，对杂散电容具有较强的抑制能力，系统灵敏度4.8 V/pF，可达最高分辨率为5*10-15F。
7 结论
电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能，目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。
从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等优点。
在上述讨论的测量电路各有优缺点，相比较而言，交流锁相放大测量电路是目前实验室应用最好的检测电路，在现有研究成果基础上进一步改善其电路复杂、频率受限的缺点，将在工业实际测量中具有广泛的应用前景。
把微小电容测量技术研究工作推上一个新台阶。