專利名稱：用于測量電容器電容的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電容測量，尤其涉及這樣一種電容測量，其中通過對未知值的電容器提供已知值的電荷包，直到確定最終電壓，然后根據(jù)已知的總電荷和測量的電壓計(jì)算電容。
背景技術(shù)：
電容測量是測量儀器例如數(shù)字萬用表的一個(gè)重要特征。被轉(zhuǎn)讓給Fluke公司的美國專利5073757和5136251披露了一種測量小電容和大電容的方法，其中使未知值的電容器在其RC速率下完全充電到一個(gè)參考電壓，與此同時(shí)，在雙斜率積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的存儲電容器上積累與充電電流成比例的電流。小電容可以在ADC的一個(gè)積分周期內(nèi)完全充電，而大電容則需要幾個(gè)積分周期才能完全充電。在兩種情況下，在積分ADC的存儲電容器上存儲的成比例的電荷在由存儲的電荷的數(shù)量表示的時(shí)間間隔內(nèi)在“去積分”周期期間被除去，并且測量所述的時(shí)間，從而給出電容值的指示。
背景技術(shù)：
這些現(xiàn)有技術(shù)的電容測量技術(shù)是不滿意的，這是由于其過長的測量時(shí)間，因?yàn)楸仨毜却粗档碾娙萜鞅煌耆潆?，從而?dǎo)致提出了一種在1999，3，12申請的序列號為09/267504的待批美國專利中披露的一種電容測量系統(tǒng)，其中使用恒流源產(chǎn)生被測電容器上的線性斜率電壓。這使得能夠測量微分電壓(ΔV)和微分時(shí)間(ΔT)，并由二者的比計(jì)算電容。雖然測量速度和精度在一個(gè)寬的測量范圍內(nèi)有了改進(jìn)，但是使用復(fù)雜的多斜率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器收集所需的參數(shù)是一個(gè)相當(dāng)慢的過程。
所有這些現(xiàn)有技術(shù)的方法的問題在于，因?yàn)殡娙葜凳俏粗?，所以付出相?dāng)多的努力搜索可以進(jìn)行測量的范圍。此外，尤其是在給定范圍的下端，因?yàn)榉直媛蕢嚎s而可能使電容值失真。
發(fā)明概述按照本發(fā)明，提供一種用于測量電容的裝置和方法，其中對未知值的電容器供應(yīng)已知值的電荷包，直到確定最終電壓，并且根據(jù)已知的總電荷和測量的電壓計(jì)算電容。
通過結(jié)合附圖閱讀下面的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以清楚地看出本發(fā)明的其它目的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1表示用于幫助理解本發(fā)明的和電容器相關(guān)的電流和電壓的關(guān)系曲線；圖2是按照本發(fā)明的電容測量系統(tǒng)的原理圖；圖3是適用于圖2的系統(tǒng)中的可編程的恒流源的示意圖；以及圖4是表示圖2的系統(tǒng)的操作的流程圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明圖1用于幫助理解本發(fā)明的原理，其中表示和電容器相關(guān)的電流和電壓的關(guān)系。教科書上給出的電容的定義是一種電流和電壓的關(guān)系i＝C de/dt，由此，電容器電壓可以被定義為e(t)=1C∫idt.]]>這提供了對于熟知的一種概念的理解，即，如果提供給電容器的電流是恒定的，則電容器的電壓隨著電容器對所述恒定電流隨時(shí)間積分而線性地改變。這可以由圖1看出，其中在時(shí)間間隔ΔT內(nèi)提供的恒定電流i產(chǎn)生一個(gè)斜坡電壓ΔV。此外，電流在任何時(shí)間間隔內(nèi)的積分是在電容器上積累的電荷Q，或者Q＝∫idt。因而，可以說，由圖1的電流波形包圍的面積便等于電荷Q。最后，因?yàn)镼＝CV，可以看出，如果積累的電荷Q和電容器兩端的電壓ΔV已知，則可以計(jì)算電容值C。
圖2是按照本發(fā)明的用于測量連接在輸入端12的電容器的電容值的電容測量系統(tǒng)的原理圖。和輸入端12相連的還有可編程的恒流源14，放電開關(guān)16，比較器18，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)20。微處理器(μP)24在操作上和所有這些裝置相連，微處理器包括相關(guān)的存儲器26和顯示裝置28。
雖然圖2的所有電路元件對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，但是下面詳細(xì)說明恒流源14的細(xì)節(jié)，以便充分理解其用途。關(guān)于實(shí)現(xiàn)可編程的恒流源的一種方式是，實(shí)際上，它是一個(gè)電荷包發(fā)生器，這是因?yàn)?，其在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔(dt)內(nèi)提供給電容器10一定量的恒定電流(i)。合適的可編程的恒流源的細(xì)節(jié)如圖3所示。其中示出了多個(gè)恒流發(fā)生器30A，30B，30C，...，30n，每個(gè)產(chǎn)生一個(gè)不同的或預(yù)定值的的恒定電流。這些值可以按照任何所需的順序增加，例如，以二進(jìn)制(binary)序列，如，1微安(μA)，2μA，4μA，8μA，等等，或者以任何其它的順序，如1μA，2μA，5μA，10μA等等，根據(jù)可以使用的具體系統(tǒng)和可得到的合適的時(shí)間間隔而定。各個(gè)與門32A，32B，32C，...，32n和相應(yīng)的恒流源發(fā)生器30A，30B，30C，...，30n相連。每個(gè)與門32A-32n的一個(gè)輸入來自n選一選擇器34，其可以是一個(gè)合適的地址計(jì)數(shù)器，用于從恒流源發(fā)生器30A-30N中選擇一個(gè)恒流源。每個(gè)與門32A-32n的另一個(gè)輸入來自可選擇的脈寬發(fā)生器36，當(dāng)所述脈寬發(fā)生器被啟動時(shí)，則提供選擇的或預(yù)定寬度的脈沖，從而在一個(gè)精確的已知時(shí)間間隔內(nèi)選通被選擇的恒流源發(fā)生器。n選一選擇器34和脈寬發(fā)生器36的輸入由微處理器24提供。因而，可以看出，為了向電容器10發(fā)送一個(gè)電荷包q0，微處理器24選擇一個(gè)要選通的電流發(fā)生器和用于提供所需的值q0＝∫idt的時(shí)間間隔作為可編程恒流源14的輸出。
下面參照圖4所示的程序說明用于確定電容器10的電容值的圖2所示的系統(tǒng)的操作。
在步40，微處理器24對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。比較器8的正輸入端借助于施加一個(gè)VREF(0)被設(shè)置為略高于0V，并使放電開關(guān)16閉合。在電容器10上的任何電壓通過開關(guān)16被放掉。
在步42，微處理器24通過監(jiān)視比較器18的輸出檢查電容器10是否被放電。如果電容器電壓低于在步40設(shè)置的門限值，則比較器18的輸出為高，從而向微處理器24發(fā)信號表示，電容器電壓小于VREF(0)。然后，放電開關(guān)16被斷開。
應(yīng)當(dāng)指出，此處使用比較器18作為電壓監(jiān)視裝置，通過和門限電壓的比較，用于監(jiān)視電容器電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，比較器可以用高速ADC代替，并且電壓門限值可以被設(shè)置在和微處理器24相關(guān)的固件或軟件中。
在步44，由ADC 20測量電容器10上的電壓VC(0)，并被存儲在存儲器26中?？紤]到介電吸收作用，可以調(diào)整實(shí)際的讀出時(shí)間，所述吸收作用能夠引起電容器電壓的輕微增加，這是因?yàn)樾×康碾姾稍陔娙萜鞯奈锢沓煞謨?nèi)重新分布。在這種情況下，開關(guān)16將再次閉合一個(gè)短的時(shí)間間隔，以便除去剩余電荷，然后再打開，使得讀出新的VC(0)。
此外，如果比較器18被高速ADC代替，則所述高速ADC可以具有雙重作用，即比較器18和ADC 20由一個(gè)高速ADC代替。程序可以表示門限已被滿足，并存儲了ADC讀數(shù)。
在步46，微處理器24通過選擇一個(gè)可編程的恒流源14的合適的電流電平和時(shí)間間隔的組合選擇一個(gè)最低的可用的電荷包值q0，并設(shè)置比較器18在略低于規(guī)定的ADC 20的全程輸入的一半的電壓VREF處切斷。
在步48，微處理器24使來自可編程的電流源14的電流在一個(gè)已知的時(shí)間間隔內(nèi)流入電容器10，從而把電荷包q0置于電容器上，同時(shí)監(jiān)視電壓比較器18的輸出。
在步50，如果電壓比較器18不切斷，則意味著提供給電容器10的電荷包不足以產(chǎn)生達(dá)到在步46設(shè)置的切斷值的電壓。如果電壓比較器切斷，則意味著被放置在電容器10上的電荷產(chǎn)生了一個(gè)等于或大于在步46設(shè)置的切斷電平的電壓。
在步52，如果電壓比較器18在電荷q0被放置在其上之后不切斷，則重復(fù)步48，使得電容器具有被放置在其上的Q＝q0+q0的電荷。如果提供給電容器10的新的電荷包仍然不足以產(chǎn)生達(dá)到切斷電平的電壓，則微處理器24選擇一個(gè)電流值/時(shí)間間隔的組合，以便提供一個(gè)新的電荷包q1＝2q0，并把這個(gè)電荷包送到電容器10。步48，50，和52被重復(fù)，直到在電容器10上的總電荷Q產(chǎn)生一個(gè)使比較器18切斷的電壓，這表示由電容器10產(chǎn)生的電壓處于ADC 20的規(guī)定的操作窗口的全程的一半和全程之間的某個(gè)點(diǎn)上。微處理器24保持跟蹤提供給電容器10的電荷包，并把總電荷Q存儲在存儲器26中。
如果比較器18在一個(gè)能夠進(jìn)行若干次嘗試以便找到將產(chǎn)生足以使比較器18切斷的電流電平/時(shí)間間隔的組合的預(yù)定的時(shí)間間隔之后沒有切斷，則所述嘗試結(jié)束，因?yàn)檫@意味著該電容器由于某個(gè)原因不接收電荷。
在步54，在比較器18切斷之后，微處理器24則啟動ADC 20測量在電容器10上的最終電壓VC(F)。在一個(gè)短的時(shí)間之后，可以進(jìn)行第二次讀數(shù)，以便證實(shí)最終的電壓VC(F)和第一個(gè)相同，因?yàn)槿绻缘停瑒t表示電容器漏電，其中少量的電荷漏掉了。
在步56，微處理器24按照下式對于qn＝q1+q2+...+qn-1的情況計(jì)算電容C=QTΔV=Σn=0NqnVCfinal-VCstart,]]>此外，對于二進(jìn)制(binary)序列，可以表示為下述的QT＝q02(n-1)，其中q0是最小的電荷包，N是為使比較器18表示已超過在步46設(shè)置的切斷電平所需的充電周期數(shù)。
從下表可以看出，在電容器10上的總電荷Q以二進(jìn)制(binary)序列增加充電周期1 2 3 4 5 6， 等電量q0q02q04q08q016q0...
總電荷Q q02q04q08q016q032q0...
這個(gè)電荷序列使具有一個(gè)寬的電容值范圍，例如8個(gè)十進(jìn)制(decade)的值的電容器能夠很快地被確定，而不用搜索合適的電容范圍。此外，因?yàn)殡娙萜饕砸幌盗胁襟E從接近0充電到ADC操作窗口的上半部內(nèi)的一個(gè)電壓，即在半程和全程之間的一個(gè)電壓，所以在測量范圍內(nèi)，分辨率是恒定的。在測量范圍的兩端沒有分辨率壓縮。此處所述的技術(shù)的動態(tài)范圍只由在產(chǎn)生電荷包時(shí)使用的電流值和時(shí)間間隔限制，因而取決于可編程的電流發(fā)生器14的能力。例如，假定由ADC 20獲得的最初和最終的電壓測量計(jì)算的ΔV＝1.00V，對于Qmin＝q0＝0.5μA×200μsec＝100皮庫侖(pCoulomb)，可以測量100pF的電容。在另一方面，利用1mA的電流源在大約5秒鐘內(nèi)可以測量10000μF的電容。這表示可以覆蓋8個(gè)十進(jìn)制(decade)的電容值范圍(從100pF到10000μF)，或者如果需要三位數(shù)的分辨率，則需覆蓋6個(gè)十進(jìn)制(decade)的范圍。
因而，可以看出，自動規(guī)定電容測量的范圍自動地成為此處所述的方法的一部分，而不需要查找量程的程序和技術(shù)。因?yàn)殡娙萜鲝囊粋€(gè)初始電壓值被充電到一個(gè)最終的電壓值，并且由電容器上的總電荷確定電容值，所以避免了在電容范圍的兩端具有的電容值的分辨率壓縮，相對于現(xiàn)有技術(shù)，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。同樣，也避免了在RC時(shí)間常數(shù)曲線的高端具有的值的壓縮。此外，可以檢測由于介電吸收而引起的有缺陷的電容器和漏電的電容器。
雖然上面說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是，顯然，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，不脫離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，可以作出各種改變和改型。例如，電壓比較器18可以利用高速ADC代替，用于確定開始和最終電壓。因此，預(yù)計(jì)所附的權(quán)利要求能夠覆蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)的這些改變和改型。
權(quán)利要求
1.一種用于測量電容器的電容的裝置，包括適合于耦合到所述電容器的輸入端子；放電電路，耦合到所述輸入端子以便放電所述電容器并測量其上的電壓以便獲得初始電壓；充電電路，耦合到所述輸入端子以便傳遞一定的電荷包，在所述電容器上累積一個(gè)總的電荷，從而在電容器兩端產(chǎn)生超過一個(gè)預(yù)定最小電壓的最終電壓，其中所述充電電路包括一個(gè)或多個(gè)恒定電流源和一個(gè)或多個(gè)脈寬發(fā)生器，該恒定電流源和脈寬發(fā)生器可以相結(jié)合選擇來提供具有不同預(yù)定值的電荷包；一個(gè)比較器，耦合到所述電容器，用于響應(yīng)傳遞到所述電容器的電荷包，反復(fù)比較在所述電容器兩端產(chǎn)生的電容器電壓和由一個(gè)處理器提供的預(yù)定最小電壓，傳遞每個(gè)電荷包后，所述處理器判斷是否達(dá)到最終電壓，并且，如果所述預(yù)定最小電壓超過電容器電壓，即選擇恒定電流源和脈寬發(fā)生器的一個(gè)組合，以提供下一個(gè)電荷包的值；和用于存儲所述電容器上的電荷值的存儲器；其中所述處理器通過從所述最終電壓減去所述初始電壓而獲得一個(gè)差值電壓，并用所述差值電壓除所述電容器上的所述總的積累電荷來計(jì)算所述電容。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述充電電路進(jìn)一步包括第一可選恒定電流發(fā)生器，用于向所述電容器提供第一預(yù)定電平的恒定電流；和第一可選脈寬發(fā)生器，用于產(chǎn)生第一脈沖寬度，在第一時(shí)間間隔內(nèi)選通所述第一可選恒定電流發(fā)生器，以便產(chǎn)生第一個(gè)所述預(yù)定電荷包。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述充電電路進(jìn)一步包括第二可選恒定電流發(fā)生器，用于向所述電容器提供第二預(yù)定電平的恒定電流；和第二可選脈寬發(fā)生器，用于產(chǎn)生第二脈沖寬度，在第二時(shí)間間隔內(nèi)選通所述第二可選恒定電流發(fā)生器，以便產(chǎn)生第二個(gè)所述預(yù)定電荷包，所述處理器組合所述第一和第二預(yù)定電荷包，以提供總的電荷并產(chǎn)生所述最終電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測量電容的裝置，其中已知值的電荷包被提供給未知值的電容器，直到確定最終電壓，并根據(jù)已知的總電荷和測量的電壓計(jì)算所述電容。
文檔編號G01R27/26GK1651924SQ20051000908
公開日2005年8月10日 申請日期2002年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月7日
發(fā)明者J·M·倫德, 小B·恩 申請人:弗蘭克公司