[发明专利]一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法，其测量系统包括数字信号处理子系统、模拟链路子系统和待测电容测试子系统；本发明在外加偏置电压的条件下，能对阵列精密电容实现在线同步测量，通过不同频率的激励信号给到不同的待测电容，通过不同的待测电容后汇聚成一个包括复数个频率分量的第二合成波模拟信号，之后将包括复数个频率分量的第二合成波数字信号输入数字信号处理子系统进行并行解调，也确保了待测电容在测试时间上的匹配，提高了电容测量效率。

技术领域

本发明涉及电容测量技术领域，更具体的，涉及一种可调偏压的阵列精密电容的同步测量系统及方法。

背景技术

在各种工业应用和科学研究场景中电容测量是一个重要的研究领域，尤其是对电容式传感器而言，需要低至皮法级的精密电容测量方法。除了待测电容小的特点外，一些电容工作在几十伏甚至上百伏的直流电压之下，同时要求对多个电容进行同时测量。

目前主要有这几种电容测量方法：振荡法、直流充放电法、电桥法、交流激励法。

其中，基于振荡的方法是将待测电容和外加电感或电阻组成自激振荡电路，通过测量电路振荡信号频率间接求出待测电容大小，如中国专利公开号：CN105277790A，公开日：2016-01-27，公开了提供了一种振荡回路中基于阻尼振荡波的电阻、电感和电容的测量方法，该方法采用了改进的离散傅里叶算法，实现了电阻、电感和电容参数的高精度测量；其中，对检测电压信号进行窗函数处理，可以有效的抑制标准离散傅里叶变换中截断效应的影响，提高傅里叶变换精度，进而提高电阻、电感和电容参数的测量精度。

基于直流充放电的方法是将待测电容充至电源电压，再放电至设定的电压，通过时间数字转换器测得放电时间可计算待测电容大小；如中国专利公开号：CN103499743A，公开日：2014-01-08，公开了一种高精度测量电阻电容的系统及电路，该系统包括：输入方波信号发生单元，电平转换电路单元、二次充电电路单元、二次放电电路单元、逻辑处理单元、比较电路单元，脉宽信号计时单元。

基于电桥的方法将待测电容放在一个桥臂上，通过不断调节桥臂上的参考阻抗直到电桥平衡；如中国专利公开号：CN104296786A，公开日：2015-01-21，公开了一种数字电桥电容测量模块，通过下述技术方案予以实现：平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°组成数字平衡机构；激励源单元产生3种信号，其中0°相位驱动信号驱动同步放大电路把正交滤波测量信号送入零位平衡单元产生再平衡监控信号；AC参考信号驱动电容平衡桥臂电路，AC激励信号分时驱动BITE检测桥臂电路，把平衡桥臂与测量桥臂两个相位差180°的交流信号通过求和电路求和，经带通滤波电路滤波为0°、90°相位驱动信号，CPU控制单元对零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制，用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较，CPU控制单元以检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时的D/A转换器数据作为当前测量的电容值。

基于交流激励的方法是将待测电容和一个参考电容进行串联，输入固定频率的交流激励信号，根据电容分压计算待测电容大小，如中国专利公开号：CN108333437A，公开日：2018-07-27，公开了一种微小电容测量系统，其包括一信号发生模块、一电容/电压变换模块、一信号采集处理模块、一CPU及一通信模块，所述信号发生模块包括DDS正弦信号发生器及数模转换器，所述信号采集处理模块包括程控放大器、模数转换器及数字解调器，所述DDS正弦信号发生器输出端依次串联数模转换器、电容/电压变换模块、程控放大器、模数转换器、数字解调器及CPU，所述数字解调器的另一端信号输入端口连接DDS正弦信号发生器，所述CPU还分别与DDS正弦信号发生器、程控放大器及通信模块相连。

以上几种方法中均存在不同程度的缺点具体如下：振荡法结构较为简单但受寄生参数的影响稳定性不高；直流充放电法和电桥法能够获得较高的电容测量分辨率，但不适合快速测量的应用，并且难以在外加偏压的情况下进行在线测量；采用常见结构的电容分压交流激励法，测量速度较高但难以做到多电容测量的电路匹配。