專利名稱：用于測量電容的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量電容的方法，其中通過電容施加的電壓 被輸送到評價(jià)電路的輸入端并且其中由電壓最終值確定電容，它在電 容放電后由預(yù)定的初始電壓對于預(yù)定的時(shí)間間隔在預(yù)定的電阻上給 出。此外本發(fā)明還涉及一種根據(jù)這種方法測量電容的電路。
如果一個(gè)以預(yù)定的電壓值充電的電容(例如一個(gè)電容器)通過一
個(gè)電阻放電，則電壓從初始值開始根椐下式呈指數(shù)降低
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中U。是初始電壓，R是電阻值而C是電容(電容器的值)。如果 在開始放電以后的預(yù)定的時(shí)間間隔T后通過電容器測量電壓Umep，則 可以由Umep， T， Uo和R才艮據(jù)下式確定電容<formula>formula see original document page 5</formula>
如果能夠盡可能精確地預(yù)定U。和R的數(shù)值并且對于盡可能精確 確定的時(shí)刻T可以實(shí)現(xiàn)盡可能精確的測量Umep,則在使用這個(gè)公式的 情況下例如能夠確定電容。但是以這種方式確定電容的已知電路在電 路技術(shù)上開銷很大(且較為昂貴)或者由于許多干擾影響是相對不準(zhǔn) 確的。
如果不是要獲得電容本身，而是只要獲得在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)電 容的相對變化，則對精度的要求是較低的。在這種情況下無需準(zhǔn)確地 了解U。和R的數(shù)值；只需在確定的時(shí)間間隔上使這些值保持恒定。 時(shí)間間隔T的精確持續(xù)時(shí)間也取決于從屬條件；只需在每次測量時(shí)盡 可能使開始放電與測量時(shí)刻之間的持續(xù)時(shí)間相同。在這種情況下只需 盡可能準(zhǔn)確地測量電壓UmeP。一個(gè)應(yīng)用示例，其中較少地期望確定絕對電容而更多地期望確定 相對的電容變化，使用于獲得操作者身體變化的電容式接近傳感器設(shè) 置在汽車的門把手上。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是，對于電容式接近傳感器實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)且可 靠的電容測量的可能性。
這個(gè)目的根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法以及
具有權(quán)利要求10所述特征的電路得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明基于上述確定電容的基本原理，在預(yù)定的放電時(shí)間以后進(jìn)
行電壓測量。本發(fā)明還基于以下認(rèn)識用于獲得電容上的電壓的評價(jià) 電路無需在電容上產(chǎn)生的電壓的整個(gè)間隔上精確地測量，而只需在小 的部分間隔、在這里稱為測量間隔中盡可能精確地測量電壓，其中這 樣選擇這個(gè)測量間隔，使得在電容放電后由初始電壓開始通過預(yù)定的 電阻對于預(yù)定的持續(xù)時(shí)間達(dá)到的電壓值必需位于測量間隔內(nèi)。
在根據(jù)本發(fā)明的用于測量電容的方法中，將通過電容施加的電壓 輸送到評價(jià)電路的輸入端，其中這樣構(gòu)成評價(jià)電路，使得它能夠以預(yù) 定的精度獲得輸入電壓，只要這個(gè)電壓位于測量間隔內(nèi)。首先使電容 以預(yù)定的初始電壓充電，該初始電壓超過測量間隔上限的數(shù)倍。然后 使電容在預(yù)定的電阻上以預(yù)定的持續(xù)時(shí)間放電，由此使電容上的電壓 達(dá)到 一 個(gè)取決于電容大小的電壓最終值，其中這樣選擇電阻和時(shí)間間 隔，使得電壓最終值位于測量間隔內(nèi)。最后由評價(jià)電路獲得電壓最終 值并且由電壓最終值確定電容。由電壓最終值例如通過查表或者通過 根據(jù)上述公式計(jì)算確定電容。對于本發(fā)明重要的是，評價(jià)電路只能在 這個(gè)測量間隔內(nèi)以預(yù)定的精度獲得輸入電壓。如果輸入電壓位于測量 間隔以上或以下，則評價(jià)電路只能以低得多的精度獲得輸入電壓，或 者僅僅確認(rèn)輸入電壓位于測量間隔上限以上或下限以下。因此本發(fā)明 的核心是具有"放大功能"的評價(jià)電路，使得不再在所有可能的輸入電 壓值的整個(gè)范圍中以基本相同的精度獲得輸入電壓，而是使輸入電壓 的精確測量限制在一個(gè)部分間隔(測量間隔)上。這一點(diǎn)能夠通過相對簡單的評價(jià)電路以相對較高的精度獲得電壓最終值。
如果不要獲得電容的絕對值而是只要獲得相對的電容變化，則根 據(jù)本發(fā)明的方法是特別有利的。在這種情況下不僅無需精確地了解電
阻值或初始電壓而且無需精確地調(diào)節(jié)時(shí)間間隔；只需使這些值從測量 到測量保持恒定。只需盡可能準(zhǔn)確地確定在測量間隔中的不同電壓 值。然后這樣選擇初始電壓、電阻值和預(yù)定的持續(xù)時(shí)間，使得電壓最 終值對于所有的變化的電容的期望電容值位于測量間隔內(nèi)。
在才艮據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方式中，使施加在電容上的電壓被 輸送到一個(gè)作為評價(jià)電路的組成部分的放大器的輸入端，然后如果放 大器的輸入電壓位于測量間隔內(nèi)，則使輸入電壓至少以倍數(shù)2被放大。 由此使電壓最終值至少以倍數(shù)2被放大并且獲得放大后的電壓最終 值。對于在測量間隔以上的輸入電壓，使放大器過調(diào)，即使放大器的 輸出電壓取一個(gè)(不再取決于輸入電壓實(shí)際值的)最大值。在此要指 出，"測量間隔以上，，或"最大值"的概念對于負(fù)極性而言必要時(shí)通過等 效的概念"測量間隔以下，，和"最小值"替換，或者這樣定義這些概念， 使它們與符號無關(guān)地適用于電壓絕對值。在優(yōu)選的實(shí)施方式中使電壓
最終值例如通過一個(gè)運(yùn)算放大器以io至iooo、最好是io至so的倍
數(shù)被放大。為此一個(gè)相對經(jīng)濟(jì)的運(yùn)算放大器就足夠了。在優(yōu)選的實(shí)施 方式中測得放大后的電壓最終值，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字最終值 并且存儲(chǔ)所產(chǎn)生的數(shù)字最終值。在可選擇的實(shí)施方式中，代替運(yùn)算放 大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組合也可以這樣使用具有非線性靈敏度的模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，使得這個(gè)轉(zhuǎn)換器僅僅在具有高分辨率的測量間隔內(nèi)轉(zhuǎn)換電 壓，而在測量間隔以外的電壓值以低分辨率轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。
在本發(fā)明的有利改進(jìn)方案中使電容上的電壓在達(dá)到電壓最終值 以后保持一段第二預(yù)定持續(xù)時(shí)間，在其間測得電壓最終值。這允許使 用相對緩慢的運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)一步降低了電路成本。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中通過一個(gè)與電容接頭相連接的節(jié)點(diǎn)與電壓 源或地電位的交替連接和去耦實(shí)現(xiàn)充電到初始電壓、通過電阻放電和 保持電壓，其中借助于由控制裝置控制的開關(guān)實(shí)現(xiàn)連接和去耦。開關(guān)最好是電子開關(guān)并且控制裝置最好包括微處理器或微控制器。
在優(yōu)選的改進(jìn)方案中根據(jù)節(jié)拍信號確定處理器(微處理器或微控 制器)的預(yù)定持續(xù)時(shí)間。這個(gè)節(jié)拍信號的時(shí)間常數(shù)例如通過使用產(chǎn)生 節(jié)拍的石英振蕩器實(shí)現(xiàn)。因此根據(jù)本發(fā)明的方法可以通過相對簡單的 電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，它除了少量的電阻元件以外還包括一個(gè)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)算放 大器和一個(gè)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的微處理器。
在根據(jù)本發(fā)明的用于測量電容器的電容的電路中，使電容器的一 個(gè)接頭與評價(jià)電路的輸入節(jié)點(diǎn)相連接，并且使電容器的另一接頭與基 準(zhǔn)電位(例如地電位)相連接。如同對于方法已經(jīng)描述的那樣，這樣 構(gòu)成評價(jià)電路，使它以預(yù)定的精度獲得輸入電壓，只要這個(gè)電壓位于 測量間隔內(nèi)，并且產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出值(該輸出值例如可以是輸出 電壓或者也可以是輸出數(shù)字值或?qū)?yīng)于電壓的編碼)。第一開關(guān)裝置 可以使輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位(例如正的電源電位，它至少在幾 個(gè)測量間隔的數(shù)量級以內(nèi)保持恒定)相連接。 一個(gè)第二開關(guān)裝置可以 使預(yù)定參數(shù)的電阻(例如精確電阻元件)耦聯(lián)到輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位 之間。 一個(gè)控制裝置與第一和第二開關(guān)裝置耦聯(lián)并且這樣控制這個(gè)開
關(guān)裝置，使得(a)輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接，其中評價(jià)電 路產(chǎn)生一個(gè)輸出值，它在輸入節(jié)點(diǎn)位于恒定的電壓電位上時(shí)取一個(gè)極
值(最大值或最小值)，(b)然后使電阻對于預(yù)定的持續(xù)時(shí)間耦聯(lián) 在輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位(例如地)之間，由此使輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位 之間的電壓降低到一個(gè)位于測量間隔內(nèi)的最終值，并且(c)然后使 輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位和恒定的電壓電位這樣去耦(高阻值)，使得電 壓保持在最終值上，其中評價(jià)電路產(chǎn)生一個(gè)與最終值成正比的輸出 值。使評價(jià)電路的輸出端與一個(gè)用于存儲(chǔ)輸出值和確定相應(yīng)的電容值 的裝置耦聯(lián)。這個(gè)裝置例如可以是微控制器。
所述電路的特征最好是，所述評價(jià)電路具有運(yùn)算放大器和與運(yùn)算 放大器的輸出端耦聯(lián)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出值。所 述輸入節(jié)點(diǎn)與運(yùn)算放大器的反相輸入端相連接。所述運(yùn)算放大器例如 具有2至1000、最好是10至50的放大倍數(shù)。在本電路優(yōu)選的、簡單的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，所述評價(jià)電路的輸入節(jié)點(diǎn) 通過預(yù)定大小的電阻和開關(guān)二極管的并聯(lián)電路與控制器(微控制器)
的輸出接頭相連接?？刂破鞯妮敵鼋宇^可以位于基準(zhǔn)電位(地；邏輯 低電平)或恒定的電壓電位(電源電壓，邏輯高電平)上或者是高阻 的。因此在這個(gè)實(shí)施方式中第一開關(guān)裝置由開關(guān)二極管和控制器構(gòu) 成，而第二開關(guān)裝置僅僅由控制器構(gòu)成。如果控制器的輸出接頭位于 邏輯高電平上并由此使開關(guān)二極管在通流方向上導(dǎo)通，則第一開關(guān)裝
置是"接通的"，即，使輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接。如果控制 器的輸出端位于低電平(例如地)上，則第二開關(guān)裝置是"接通的"并 且使輸入節(jié)點(diǎn)通過電阻與基準(zhǔn)電壓(地)相連接。
在從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明的有利的和/或優(yōu)選的改進(jìn)方案。


下面借助于在附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。附圖中..
圖i簡要示出根據(jù)本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)的電路圖；以及
圖2A和2B示例地示出電容上的電壓和運(yùn)算放大器輸出端上的 電壓的電壓變化曲線。
具體實(shí)施例方式
圖1簡要示出根據(jù)本發(fā)明的用于確定電容的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。 要被確定的電容由電路電容器l和一個(gè)(在圖1中以虛線的導(dǎo)線表示 的)"干擾電容"2組成。在一個(gè)用于電容式接近傳感器的電路結(jié)構(gòu)的 優(yōu)選應(yīng)用中，電路電容器l是電路的固定組成部分，并且這樣構(gòu)成， 使其電容在期望的環(huán)境條件下盡可能是恒定的。稱為"干擾電容"的電 容2是一個(gè)具有電容式接近傳感器相對于地的電極的電容。這個(gè)電容 一方面取決于電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形狀(電極面積、電極與接地元件 的距離、周圍的電介質(zhì))，另一方面取決于接近電極的且與地電容式 和/或電阻式耦聯(lián)的物體(例如操作者的手)的接近程度和尺寸。所示 的電路結(jié)構(gòu)主要用于獲得并跟蹤電容2的變化并且由這種變化推導(dǎo)出 關(guān)于操作者的手的接近程度的結(jié)論。這種電容式接近傳感器的電極結(jié)構(gòu)的形狀以及功能(例如在汽車門把手中的布置)是已知的，并且在 這里不再詳細(xì)描述。
如圖1所示，使電容l， 2的接頭分別與作為基準(zhǔn)電位的地3相 連接，而電容器1或電容2的另一接頭與稱為評價(jià)電路的用于確定電 容的電路的輸入節(jié)點(diǎn)4相連接。該評價(jià)電路對于在圖1中所示的實(shí)施 例主要由運(yùn)算放大器5和包含在微控制器6內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器7構(gòu)成。 輸入節(jié)點(diǎn)4在此與運(yùn)算放大器5的非反相輸入端8相連接。運(yùn)算放大 器的輸出端9與微控制器6的輸入接頭10相連接，其中輸入接頭10 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸入端相連接。為了調(diào)整所期望的放大倍數(shù)使運(yùn)算 放大器5的輸出端9通過由電阻11和12組成的電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大 器5的反相輸入端13和地3相連接。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)被調(diào)節(jié) 到10至50之間的某一數(shù)值，由此使輸出端9上的輸出電壓的絕對值 為輸入節(jié)點(diǎn)4上電壓的10至50倍。
微控制器6除了模數(shù)轉(zhuǎn)換器7之外還包括一系列其它的電路元 件，它們包括處理器、RAM、 ROM和其它輸入和輸出電路，例如模 數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)電路。微控制器的電源象征性地通過接 頭14表示，在其上施加電壓UQ。此外示出一個(gè)與地3耦聯(lián)的接頭15。 當(dāng)然微控制器也可以具有一 系列其它的電源接頭和接地接頭，并且也 可以通過多個(gè)不同的電源供電。
微控制器6具有一個(gè)輸出接頭16,它可以有三個(gè)狀態(tài)。在其上 可以輸出電壓Uo,它可以置于地電位，并且它可以切換為高阻(即與 電壓電位和地去耦)。借助于控制器輸出接頭16，微控制器6控制下 面詳細(xì)描述的測量過程，其中使輸出接頭16的電位對于固定的預(yù)定 時(shí)刻在測量過程以內(nèi)置于電壓Uo或地電位或者切換高阻。測量過程 包括控制輸出接頭16和處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸出信號由包含在微控 制器中的程序控制。
輸出接頭16與測量電路的控制器節(jié)點(diǎn)17相連接，它又通過由放 電電阻18和開關(guān)二極管19組成的并聯(lián)電路與輸入節(jié)點(diǎn)4耦聯(lián)。在此 這樣確定開關(guān)二極管19的極性，使它僅僅允許從控制節(jié)點(diǎn)17到輸入節(jié)點(diǎn)4的電流流過。當(dāng)電壓Uo施加到控制節(jié)點(diǎn)17上時(shí)，則電容l和 2組成的并聯(lián)電路通過由電阻18和開關(guān)二極管19組成的并聯(lián)電路充 電，直到在輸入節(jié)點(diǎn)4上的電壓達(dá)到U。，開關(guān)二極管19的電阻基本 上由開關(guān)二極管19的導(dǎo)通電阻確定。由于開關(guān)二極管的微小導(dǎo)通電 阻使電流相對快速地流動(dòng)。當(dāng)要通過開關(guān)二極管19限制電流時(shí)，可 以在二極管支路上與二極管19串聯(lián)地接入另一電阻。這樣顯然增加 了充電時(shí)間。如果在控制節(jié)點(diǎn)17上施加地電位并且使輸入節(jié)點(diǎn)4處 于比地更高的電位、例如電壓Uo上，則電容1和2組成的并聯(lián)電路 通過放電電阻18放電。極性在截止方向上的開關(guān)二極管19上和在運(yùn) 算放大器5的輸入端上的電流接近等于零，即可以忽略。對于放電電 阻18的電阻值R、電路電容器1的電容Q和干擾電容2的電容C2，
得到放電常數(shù)T = R(Ci+C2)。
當(dāng)微控制器6的控制節(jié)點(diǎn)17和輸出接頭16切換為高阻時(shí)，則幾 乎保持此時(shí)在輸入節(jié)點(diǎn)上存在的電壓不變。由輸入節(jié)點(diǎn)4與地之間、 例如在運(yùn)算放大器5內(nèi)部、在輸出接頭16的輸出驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部以及 在電容器1和2上和其它電路元件的寄生電阻產(chǎn)生略微的電壓降。
為了確定電容d+C2，微控制器6控制下面的測量過程。首先使 輸出接頭16施加電壓UQ。這個(gè)電壓是穩(wěn)定的并且在時(shí)間上盡可能恒 定。如果在控制節(jié)點(diǎn)17上施加電壓U。，則電容d+C2組成的并聯(lián)電 路通過二極管19快速充電到這個(gè)電壓UQ，它在短時(shí)間后調(diào)節(jié)到輸入 節(jié)點(diǎn)4上。接著使輸出接頭16跳變地置于地電位上。電容器1和2 通過放電電阻18指數(shù)地以上述的時(shí)間常數(shù)放電，其中在輸入節(jié)點(diǎn)4 上得到下面的電壓變化
在運(yùn)算放大器5的反相輸入端8上施加的電壓Uo這樣高，使運(yùn) 算放大器過調(diào)。它保持過調(diào)，直到輸入節(jié)點(diǎn)4上的電壓指數(shù)地下降到 一個(gè)對應(yīng)于測量間隔上限的值。在運(yùn)算放大器5的非反相輸入端8過 調(diào)時(shí)，輸出端9保持在最大電壓值上。在由微控制器6的程序控制預(yù) 定的持續(xù)時(shí)間T過后，使輸出接頭16切換為高阻，由此使得此時(shí)在輸入節(jié)點(diǎn)4上存在的電壓基本(即不考慮寄生放電)保持不變。也使 控制節(jié)點(diǎn)17處于這個(gè)電壓電位上。這樣選擇預(yù)定的持續(xù)時(shí)間T，使 該持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)在輸入節(jié)點(diǎn)4上存在的電壓在電容2的所期望的電 容變化的整個(gè)范圍內(nèi)處于運(yùn)算放大器5的測量間隔內(nèi)，但是還不接近 零。這意味著，這樣選擇持續(xù)時(shí)間T,使得在最高的所期望的電容時(shí) (例如當(dāng)使用者的手直接位于電容式傳感器的電極上的時(shí)候)電壓直 接下降到測量間隔的上限以下，即運(yùn)算放大器剛好不再過調(diào)。另一方 面持續(xù)時(shí)間T不能選擇得太長，以對于最小的所期望電容仍保持可測 量的電壓。
在微控制器6的輸出接頭16切換為高阻時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器7對運(yùn) 算放大器的輸出端9上的電壓進(jìn)行采樣。通過上述設(shè)定的放大器值使 這個(gè)電壓大致為輸入節(jié)點(diǎn)4上電壓的10至15倍。對于已知的放大器， 可以由模數(shù)轉(zhuǎn)換器給出的數(shù)字值確定時(shí)間間隔T結(jié)束時(shí)在輸入節(jié)點(diǎn)4 上存在的電壓，并由此(在了解了電壓Uo和電阻R的情況下)根據(jù) 上述的7>式確定電容d+C2。
但是在作為接近傳感器的實(shí)際應(yīng)用中不能知道放大倍數(shù)、電壓 U0、電阻R和時(shí)間間隔T的精確值，并且也包括從屬的需求，因?yàn)?微控制器僅僅要確定電容C2在時(shí)間上的相對(百分比)變化。為此 使上述的測量過程周期性地重復(fù)多次。存儲(chǔ)并處理、即相互比較由模 數(shù)轉(zhuǎn)換器周期性給出的數(shù)字值，并由此計(jì)算相對電容變化。
相對電容變化一般位于百分之幾、甚至千分之幾的范圍內(nèi)。在時(shí) 間間隔T結(jié)束時(shí)輸入節(jié)點(diǎn)4上所調(diào)節(jié)的測量電壓也相應(yīng)地很小?，F(xiàn)在 根據(jù)本發(fā)明的電路充分利用這種狀況，即只需精確測量在時(shí)間間隔T 結(jié)束時(shí)調(diào)節(jié)的電壓，而不測量所有在測量循環(huán)期間在輸入節(jié)點(diǎn)4上的 電壓。由此借助于放大器5使在間隔T結(jié)束時(shí)給出的電壓強(qiáng)烈放大(以 倍數(shù)10至50或者更大)，并且另一方面容忍以這個(gè)范圍放大的最佳 運(yùn)算放大器5在整個(gè)位于其上的輸入電壓范圍中過調(diào)。由于過調(diào)使在 輸出端9的電壓中的輸入節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換對于所進(jìn)行的測量是 不重要的。只需保證在所期望的電容變化的整個(gè)范圍內(nèi)，在間隔T結(jié)束時(shí)得到的測量電壓位于運(yùn)算放大器5的測量間隔內(nèi)。通過使寄生電 流最小化并且提高電壓U。和電阻R的時(shí)間常數(shù)，可以改善測量裝置 的精度。這一點(diǎn)和運(yùn)算放大器5的理想特性允許相對較長的放電時(shí)間 T，它導(dǎo)致在時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)相對較小的電壓。然后對于相對較大的 放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)相對較小的測量間隔。這提高了測量裝 置的靈敏度。但是噪聲影響最小化并且屏蔽了干擾場。電容Q的測 量精度也可以通過減小電路電容器1的電容d而被放大。另一方面 由此使電路對于干擾影響更加敏感。
下面要借助于圖2A和2B詳細(xì)描述在上述的測量循環(huán)中得到的 在輸入節(jié)點(diǎn)4和輸出端9上的電壓變化。圖2A和2B示出根據(jù)試驗(yàn)獲 得的電壓變化曲線，其中以A表示的曲線是輸入節(jié)點(diǎn)4上的電壓，以 B表示的曲線是運(yùn)算放大器的輸出端9上的電壓，而以C表示的曲線 是微控制器6對于狀態(tài)信息的二進(jìn)制測試輸出信號。圖2B與圖2A的 不同僅僅在于，在圖2A中對于曲線A選擇電壓標(biāo)尺，它構(gòu)成曲線A的 全部視圖，而在圖2B中對于曲線A和B選擇相同的電壓標(biāo)尺，這個(gè) 電壓值分別對應(yīng)于兩個(gè)水平點(diǎn)線之間的垂直距離，由在各圖形下面所 示的通道信息(Ch2，Ch3，Ch4)得出。在圖2A中通過點(diǎn)線構(gòu)成的瀑 布圖的高度對于曲線A對應(yīng)于l，OOV電壓，對于曲線B對應(yīng)于500mV 電壓，而對于曲線C對應(yīng)于5.00V電壓。在圖2B中瀑布圖的高度對 于曲線A和B對應(yīng)于500mV的電壓，而對于曲線C對應(yīng)于5V的電 壓。在兩個(gè)附圖中兩個(gè)垂直點(diǎn)線之間的水平距離對應(yīng)于時(shí)間間隔 20.0ns。
由圖2A和2B能夠得出下面的電壓曲線。對于時(shí)刻^微控制器 6的輸出接頭16接通電壓Uo，接著在輸入節(jié)點(diǎn)4上的電壓(曲線A) 跳變地上升到數(shù)值約5.4V,因?yàn)殡娙萜魍ㄟ^開關(guān)二極管19充電(對 于圖2A和2B的分辨率不能得出節(jié)點(diǎn)電壓的振蕩)。在輸入節(jié)點(diǎn)4 上的電壓保持在數(shù)值U。上，而運(yùn)算放大器的輸出端9上的電壓(曲 線B)跟隨這個(gè)電壓升高，直到約3.4V的飽和極限(最大值)。5.4V 的輸入電壓過調(diào)運(yùn)算放大器。在圖2A和2B中可以看出，運(yùn)算放大器緩慢地(在約20網(wǎng)以內(nèi))振蕩。在運(yùn)算放大器的輸出信號達(dá)到最大 值以后，控制器6的輸出端16在時(shí)刻t2跳變地置于地，這通過狀態(tài) 信號的跳變下降(曲線C)表示。因此在時(shí)刻t2電容開始放電；輸入 節(jié)點(diǎn)4上的電壓(曲線A)指數(shù)地下降。在下降期間輸入節(jié)點(diǎn)4上的 電壓在時(shí)刻t3超過測量間隔的上限；運(yùn)算放大器不再過調(diào)，并且輸出 電壓(曲線B)從這個(gè)時(shí)刻t3開始跟隨輸入節(jié)點(diǎn)4上的節(jié)點(diǎn)電壓。對 于在圖2A和2B中所示的示例，輸出端9上的電壓約為輸入電壓的3 倍。在時(shí)刻t4微控制器6的輸出接頭16被切換為高阻，接著基本保 持輸入節(jié)點(diǎn)上的電壓不變，即只有略微下降。在時(shí)刻ts輸入節(jié)點(diǎn)4被 置于地，由此使電壓跳變地下降到零。在這里要注意，在圖l中為了 簡化未示出開關(guān)元件，通過它節(jié)點(diǎn)4可以低阻值地置于地。這個(gè)開關(guān) 元件也可以省去，并且輸入節(jié)點(diǎn)4通過放電電阻18和接頭16放電到 地。但是這通過相同的時(shí)間常數(shù)和相同的指數(shù)下降實(shí)現(xiàn)，如同在t2至 14之間的時(shí)間間隔中看到的那樣。
對于示例的測量結(jié)構(gòu)使用約20pF的電路電容器1和約560kQ的 放電電阻，由此得到約13網(wǎng)的時(shí)間常數(shù)t。在推測測量結(jié)構(gòu)的靈敏度 時(shí)，還假設(shè)干擾電容2具有電路電容器1約1%的電容、即約0.2pF。 對于測量時(shí)間T=t ( -Rd—沒有干擾電容)和Ufl = 5V的電壓，得 到?jīng)]有干擾電容的1.839V測量電壓和具有干擾電容的1.858V電壓。 19mV的差值約為測量電壓的1 % 。對于T=2t的測量時(shí)間和其余均相 同的特性得到?jīng)]有干擾電容的0.6766V的測量電壓和具有干擾電容的 0.6902V的電壓。13.6mV的差值對應(yīng)于電壓的約2%。對于T=3t的 測量時(shí)間得到?jīng)]有干擾電容的0.2489V的電壓和具有干擾電容的 0.2564V的電壓。差值7.5mV約為電壓的3% 。在百分之幾范圍內(nèi)的 電壓變化能夠通過經(jīng)濟(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器良好地分辨。較長的測量時(shí)間導(dǎo) 致測量結(jié)構(gòu)的更高靈敏度。但是給出的更低電壓需要更精確的模擬電 路。
在本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)可以設(shè)想作為替代的實(shí)施方式。例如由模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出值無需計(jì)算相應(yīng)的電容，為了提高速度也可以在查詢表中查到它，其中查詢表根據(jù)事先測得的值建立。此外在檢測相
對電容變化時(shí)無需使模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸出數(shù)字值直接換算成電容值； 電壓值可以直接比較并進(jìn)一步處理。此外可以包含附加的電路元件。例 如不與輸入節(jié)點(diǎn)4連接的電容器1的接頭無需直接與地3相連接；它例 如可以耦聯(lián)一個(gè)電阻。如上所述，也可以使一個(gè)電阻與二極管19串聯(lián)。
權(quán)利要求
1. 一種用于測量電容的方法，其中施加在電容上的電壓被輸送到評價(jià)電路的輸入端，其中這樣構(gòu)成評價(jià)電路，使得它能夠以預(yù)定的精度獲得輸入電壓，只要這個(gè)電壓位于測量間隔內(nèi)，其中a)使電容以預(yù)定的初始電壓充電，該初始電壓超過測量間隔上限的數(shù)倍，b)然后使電容在預(yù)定的電阻上以預(yù)定的持續(xù)時(shí)間放電，由此使電容上的電壓達(dá)到一個(gè)取決于電容大小的電壓最終值，其中這樣選擇電阻和時(shí)間間隔，使得電壓最終值位于測量間隔內(nèi)，c)由評價(jià)電路獲得電壓最終值并且由電壓最終值確定電容。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使施加在電容上的 電壓輸送到一個(gè)作為評價(jià)電路的組成部分的放大器的輸入端，然后如 果放大器的輸入電壓位于測量間隔內(nèi)，則使輸入電壓至少以倍數(shù)2被 放大，由此使電壓最終值至少以倍數(shù)2被放大，并獲得放大后的電壓 最終值，并且使放大器對于在測量間隔以上的輸入電壓過調(diào)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，使電壓最終值借助 運(yùn)算放大器以10至1000、最好是10至50的倍數(shù)凈皮放大。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，通過借助模數(shù) 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字最終值并且存儲(chǔ)所產(chǎn)生的數(shù)字最終值，從而獲得放 大后的電壓最終值。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使電 容上的電壓在達(dá)到電壓最終值以后對于第二預(yù)定持續(xù)時(shí)間保持不變， 在其間獲得電壓最終值。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過一個(gè)與電容接 頭相連接的節(jié)點(diǎn)與電壓源或地電位的交替連接和去耦實(shí)現(xiàn)充電到初 始電壓、通過電阻放電和保持電壓，其中借助于由控制裝置控制的開 關(guān)實(shí)現(xiàn)所述連接和去耦。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 一個(gè)恒定電壓源的初始電壓供使用。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù) 節(jié)拍信號確定處理器的預(yù)定持續(xù)時(shí)間。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制裝置包括 處理器，并且根據(jù)節(jié)拍信號確定該處理器的預(yù)定持續(xù)時(shí)間。
10. —種用于測量電容器的電容的電路，其中使電容器的一個(gè)接 頭與評價(jià)電路的輸入節(jié)點(diǎn)相連接，并且使電容器的另一接頭與基準(zhǔn)電 位相連接，其中這樣構(gòu)成評價(jià)電路，使它以預(yù)定的精度測得輸入電壓， 只要這個(gè)電壓位于測量間隔內(nèi)，并且產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出值，其中第 一開關(guān)裝置能夠使輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接，其中第二開關(guān) 裝置能夠使預(yù)定大小的電阻耦聯(lián)到輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間，其中控 制裝置與第一和第二開關(guān)裝置耦聯(lián)，并且這樣控制這個(gè)開關(guān)裝置，使 得a) 輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接，其中評價(jià)電路產(chǎn)生一個(gè) 輸出值，它在輸入節(jié)點(diǎn)位于恒定的電壓電位上時(shí)取一個(gè)極值，b) 然后使電阻對于預(yù)定的持續(xù)時(shí)間耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位 之間，由此使輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間的電壓降低到 一個(gè)位于測量間 隔內(nèi)的最終值，以及c) 然后使輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位和恒定的電壓電位這樣去耦，使 得電壓保持在最終值上，其中評價(jià)電路產(chǎn)生一個(gè)與最終值成正比的輸 出值，值的裝置耦聯(lián)。
11. 如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述評價(jià)電路具 有運(yùn)算放大器和與運(yùn)算放大器的輸出端耦聯(lián)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述 模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所述輸出值。
12. 如權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于，所述輸入節(jié)點(diǎn)與 運(yùn)算放大器的反相輸入端相連接。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的電路，其特征在于，所述運(yùn)算放大器具有2至1000、最好是10至50的放大倍數(shù)。
14. 如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于，所 迷輸入節(jié)點(diǎn)通過由預(yù)定大小的電阻和開關(guān)二極管所組成的并聯(lián)電路 與控制器的輸出接頭相連接，其中控制器的輸出接頭可以位于基準(zhǔn)電 位或恒定的電壓電位上或者被置為高阻，使得第一開關(guān)裝置由開關(guān)二 極管和控制器構(gòu)成，第二開關(guān)裝置由控制器構(gòu)成。
15. 如權(quán)利要求14所述的電路，其特征在于，所述基準(zhǔn)電位對 應(yīng)于地電位，而恒定的電壓電位對應(yīng)于控制器的高邏輯輸出電平。
全文摘要
為了測量電容，使施加在電容上的電壓被輸送到評價(jià)電路的輸入端。這樣構(gòu)成評價(jià)電路，使得它可以以預(yù)定的精度獲得輸入電壓，只要這個(gè)電壓位于測量間隔內(nèi)。使電容首先充電到超過測量間隔上限數(shù)倍的初始電壓，然后在預(yù)定的電阻上以預(yù)定的持續(xù)時(shí)間放電，由此使電壓達(dá)到一個(gè)取決于電容大小的電壓最終值。在此這樣選擇電阻和時(shí)間間隔，使得電壓最終值位于測量間隔內(nèi)。然后獲得電壓最終值并且由電壓最終值確定電容。在用于測量電容器的電容的電路中，使電容器(2)的一個(gè)接頭與評價(jià)電路的一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)(4)相連接，并且使另一接頭與基準(zhǔn)電位(3)相連接。第一開關(guān)裝置能夠使輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接。第二開關(guān)裝置能夠使一個(gè)預(yù)定大小的電阻(18)耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間?？刂蒲b置(6)這樣控制兩個(gè)開關(guān)裝置，使輸入節(jié)點(diǎn)與恒定的電壓電位相連接，其中評價(jià)電路產(chǎn)生輸出值，如果輸入節(jié)點(diǎn)位于恒定的電壓電位上，則輸出值取一個(gè)極值，如果對于預(yù)定的持續(xù)時(shí)間電阻耦聯(lián)在輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間，由此使輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間的電壓下降到位于測量間隔中的最終值，并且使輸入節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位和恒定的電壓電位這樣去耦聯(lián)，使得電壓保持在最終值上，其中評價(jià)電路產(chǎn)生一個(gè)與最終值成正比的輸出值。評價(jià)電路的輸出端與一個(gè)用于存儲(chǔ)輸出值和用于確定從屬電容值的裝置耦聯(lián)。
文檔編號G01R27/26GK101427143SQ200780014415
公開日2009年5月6日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者F-J·韋伯, M·維特 申請人:胡夫·許爾斯貝克和福斯特有限及兩合公司