[发明专利]一种微瓦级微电容测量方法及电路

说明书

本发明公开了一种微瓦级微电容测量方法及电路，电路包括电容转换电路、寄生消除电路、逻辑控制电路及量化电路；电容转换电路用于分别对待测电容、参考电容进行不断充放电，产生周期信号，通过环形振荡器将待测电容与参考电容转换成周期信号T1和T2；周期信号T1被2ⁿ倍分频后产生使能信号，使能信号用于在量化电路内部作为计数器的控制信号，同时作为逻辑控制电路的输入信号；寄生消除电路，用于连接待测电容和电容转换电路，通过切换开关对待测电容及寄生电容进行多次不同分组测量，通过差分方式消除寄生电容对测量结果的影响。本发明功耗低、集成度高，同时能够有效消减寄生电容对测量结果的影响，提高了测量准确性，量化结果处理简单。

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种微瓦级微电容测量方法及电路。

背景技术

随着通信技术的不断发展，WSN(无线传感网络)技术的应用也越来越广泛。对于WSN而言，其最大特点就是以数据为中心，用无线通信技术将各个传感节点连接起来，可实现大范围的信息采集与传输。传统的有源无线传感通常采用电池供电，采用电池相比于固定电源供电，增加了WSN节点的便携性、移动性以及应用范围，并能在一定程度上缓解WSN节点对功耗的严苛要求，但仍存在体积、成本、更换电池以及环境等方面的问题。随着“绿色”能源技术的发展，采用无线能量驱动WSN节点以及物联网节点成为开发和应用的热点，特别是基于射频能量收集的无源WSN节点能够利用射频天线-整流器收集射频源发射的无线能量驱动节点工作，集成不同物理量的传感器进行敏感量监测，电容型传感器是其中的一种常见传感类型，需要在传感节点上对电容进行测量，在无源能量驱动的环境下，要求测量电路的功耗在数微瓦至数十微瓦以内，且越低越有利于提升携能通信与无线测量的距离。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：常见的电容测量电路与方法有电压型(开关电容式)、电阻放电式以及电桥式等类型。电压型测量电路利用开关电容的工作原理以及闭环运放虚短、虚断的特性，将待测电容上的电荷转移到已知的参考电容上。由于本底电容固定不变，基于电压-电容之间的关系，其两端电压的大小能够反映和表征待测电容的容值大小，利用模数转换模块将电压值量化为输出的数字信号，由于用到了模数转换器，电压型电容测量电路的整体功耗很大，一般都在几十甚至几百微瓦。电阻放电式测量电路通过对电容进行周期性地充放电，将电容转换到时域，通常采用电阻放电的方式来控制电容的放电速度，通过RC放电的原理可以得到放电时间与电容的关系，但缺点是电容通过电阻进行放电是指数波形，在量化时需要先对该信号进行线性化处理，由此带来的算法较为复杂，相应的量化速率以及量化电路的集成度也较低，且该量化方式对时间测量电路的精度要求较高。另外，采用电桥式测量一般用在电容测量仪表内，也存在功耗较大的问题。以上的几种电容测量方法，普遍存在测量电路功耗较大，硬件开销较大，对于皮法级别以下的微电容测量，测量线路的寄生电容对测量结果存在较大干扰，通常采用较为复杂的结果处理，难以集成到无源传感节点及无源传感芯片等对功耗要求较高的应用场合中。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种微瓦级微电容测量电路，功耗低，同时能够有效消减寄生电容对测量结果的影响，提高了测量准确性，量化结果处理简单，集成度高，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种微瓦级微电容测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种微瓦级微电容测量电路，包括电容转换电路、寄生消除电路、逻辑控制电路及量化电路；

所述电容转换电路，用于分别对待测电容Ctest、参考电容Cref进行不断充放电，产生周期信号，以电容-频率转换作为电容的读出方法，通过环形振荡器将待测电容Ctest与参考电容Cref分别转换成周期信号T1和T2；周期信号T1被2ⁿ倍分频后产生使能信号EN，使能信号EN用于在量化电路内部作为计数器的控制信号，同时作为逻辑控制电路的输入信号，n表示分频位数；周期信号T2作为量化电路的时钟信号；