一种高精度测量微小电容的电路
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
北京航空航天大学科技成果——一种测量微小差分电容的检测电路
北京航空航天大学科技成果——一种测量微小差分电容的检测电路成果简介随着微机电系统（MEMS）技术的发展，微纳米尺寸的传感器在医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量等领域中得到了广泛的应用。
由于MEMS传感器尺寸的缘故，这类传感器输出的信号极为微弱。
典型的电容式MEMS传感器输出信号为10-15fF量级。
当前限制微传感器发展和应用的技术瓶颈是信号检测精度和稳定度。
基于电容敏感机理的传感器以其高灵敏度、良好的温度特性和低功耗等优点，在高性能MEMS传感器中应用将非常广泛。
为提高MEMS传感器的输出线性度，抑制共模噪声，敏感电容大多采用差分电容的形式。
现有的微小差分电容检测方法主要有两种：电容-模拟电压转换和电容充放电频率检测。
第一种方法抗干扰能力差；同时该方法的检测电路复杂，检测灵敏度受元器件精度影响大，批量生产时性能的一致性很难控制。
第二种方法充放电过程引入的干扰很难克服，并且充放电的转换过程由晶体管控制，状态切换的瞬间会存在电荷注入和电荷馈通效应，严重影响检测精度；同时，由于电容充放电过程的非线性特性，使得输出信号的频率与待测电容的大小呈现严重的非线性，需要进行非线性校正。
上述两种检测方法均不适合高精度电容检测领域。
为满足高精度检测的需要，需要设计一种高分辨率，高线性度，抗干扰能力强的检测方法。
本项目研发出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。
该技术广泛适用于医疗器械、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。
叉指电容原理
叉指电容原理
叉指电容原理是一种基于电容原理设计的接近传感器技术，主要用于检测物体与传感
器间的距离或接近程度。
该技术使用一对叉指电容片，将它们并排放置，形成一个交叉的“叉指”，其中一片用作感应电极，另一片作为参考电极。
当被检测物体接近叉指电容片时，会改变感应电极与参考电极间的电容值，从而使电
路中的电流和电压发生变化。
这个变化被电路中的信号处理器转换为相应的输出信号，表
明物体与传感器的接近程度。
叉指电容传感器具有以下特点：
1.高精度：传感器设计有高精度的电路，能够侦测微小的电容值变化，从而实现精准
的距离测量。
2.高灵敏度：传感器能够发现细微接近的变化，响应速度快。
3.可靠性好：传感器采用先进的无接触检测原理，不受机械磨损和环境影响，具备长
寿命和较高的可靠性。
4.易于安装和使用：传感器不需要接触被测物体，可实现无触觉检测，不会对被测物
体造成影响。
5.多种应用场景：传感器可应用于很多领域，比如测量厚度、液位、障碍物检测、机
器人导航等。
叉指电容传感器的原理由于其快速、准确和灵敏度高的特点，广泛应用于工业、汽车、航空等领域。
比如，在汽车上，叉指电容传感器被用于倒车雷达、自动驾驶技术中，保障
人车安全。
在家电领域，它可以被用于洗衣机中测量液位、冰箱中检测食物温度等。
在工
业制造中，叉指电容传感器可用于厚度测量和自动化生产中的定位和检测。
总之，叉指电容原理是一种高效、准确的接近传感器技术，其优越的性能使其成为很
多领域中不可缺少的测量工具。
随着科学技术的发展，叉指电容传感器的应用前景将更加
广阔。
fdc2214 工作原理
fdc2214 工作原理FDC2214 工作原理。
FDC2214 是一种高精度电容测量芯片，它可以用于测量微小的电容变化，从而实现接近无损耦合的非接触式测量。
在本文中，我们将深入探讨 FDC2214 的工作原理，以及它在各种应用中的作用。
FDC2214 的工作原理基于电容传感器的原理。
电容传感器是一种利用电容变化来检测物体位置、形状或者材料的传感器。
在 FDC2214 中，它利用了电容传感器的原理来测量微小的电容变化。
具体来说，FDC2214 通过一种称为差分电容测量的技术来实现高精度的电容测量。
差分电容测量是一种通过比较两个电容的差异来测量微小电容变化的技术。
在FDC2214 中，它利用了两个电容传感器来实现差分电容测量。
这两个电容传感器分别与 FDC2214 芯片相连，当目标物体靠近或者远离电容传感器时，它们的电容会发生微小的变化。
FDC2214 通过测量这种微小的电容变化来实现非接触式的测量。
FDC2214 的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 激励信号发生器产生高频交流信号，这个信号被送入电容传感器。
2. 当目标物体靠近或者远离电容传感器时，它们的电容会发生微小的变化，这种变化会影响到激励信号。
3. FDC2214 通过比较激励信号和反馈信号的差异来测量电容的变化。
4. FDC2214 将测量到的电容变化转换成数字信号，并输出给微处理器或者其他控制器。
通过这种方式，FDC2214 可以实现高精度的非接触式电容测量。
它可以被广泛应用于工业自动化、医疗设备、消费电子等领域。
例如，它可以用于测量液体水平、检测金属或者非金属材料的位置、形状等。
由于其高精度和非接触式的特点，FDC2214 在这些领域中具有重要的作用。
除了差分电容测量技术，FDC2214 还具有其他一些特点，如低功耗、高抗干扰能力、数字接口等。
这些特点使得FDC2214 在实际应用中更加灵活和可靠。
例如，它可以与微处理器或者其他控制器进行数字通信，从而实现更加智能化的应用。
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
基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究
380
计量学报
2007 年 10 月
(1) 或式 (2) 即可算出相应的电容差ΔC。若使能数 字输出 ,ASIC 启动内部的模数转换器 (ADC) ,将 Vout 转换成 12 位并行数字输出值 Dout 由 D0 ～D11 管脚输 出 。通过上位机读取该数字值 ,由式 (3) 和式 (4) 可 计算出对应的模拟输出电压值 Vout 和电容差值ΔC 。
高 MR 低
复位 正常工作
维持高电平指定时间 ,ASIC 复位 默认
2. 2 ASIC 的输出 (1) 模拟信号输出模式 : 偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
+
V R1
C1
- V R2 C0
C2
(1)
非偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
1 2
+
C1 - C2 C0
(2)
(2) 数字信号输出模式 :
DOUT
关键词 : 计量学 ;微小电容 ;电容式传感器 中图分类号 : TB971 文献标识码 : A 文章编号 : 100021158 (2007) 0420379204
Ultra2small Cap acitance Sensing Circuit Ba sed o n a Piece of ASIC
范围除两个内置选项外 ,还可在 CEXTA 和 CEXTB
两管脚间串联外部电容来扩展 ,外部电容最大
40 pF。通过控制 MB0 和 MB1 管脚的电平即可选择测
量范围 ,具体如表 2 。
表 2 ASIC 测量范围
pF
MB0 MB1
测量范围
低低
±0. 32
(内置)
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 。
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。
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。
基于STM32的高精度电容测量仪设计
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摘要：提出了一种高精度、低成本的电容的测量方法。
该方法采用差动式直流充电法测量微小电容，具有功耗低、体积小、分辨率高、刷新率高的特点。
同时详细阐述了测量电路的基本原理、具体实现，并且通
过测量固定电容验证了电路的性能。
关键词：电容传感器；差动式测量；直流充电
0 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，及能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，并
且已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。
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。
电容式传感器输出的电容信号往往很小(1fF～10 pF)，又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响，这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求，如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。
本文提出一种恒流源充电法对两个微小电容进行充电检测的方法。
本设计仅由单片机和少数芯片即可以实现电容的高精度，高频率测量。
由于采用了差动式测量，本设计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0～5 pF的实验中，采样频率可以达到100 kHz，有效精度位最高可达12位。
1 原理分析
实现测量的电路原理如图1所示，其完整的测量过程是：单片机控制模拟开关K1，K2断路，标准电容Cl和待测电容C2由相同的两个恒流源I1和I2进行充电；在相同的时间T1内，电容C1、C2的充电电压
为U1、U2。
由电容基本公式可得：
令△U=U1-U2，则电压差△U经过放大后，通过MSP430单片机的AD转换模块进行转换，数据存储的同时，单片机控制K1、K2闭合，在T2时间内，使C1，C2两端的短路，两电容两端电压降到零，此时完成
放电过程。
至此，一次完整的采样过程结束，充放电时序见图2。
在整个过程中，单片机要产生一个频率为100 kHz，占空比为90％的PWM波，用以控制K1、K2的通断，还要以(T1+T2)的周期完成AD变换和数据存储。
其中，T1的最大值小于充电时间，T2的最小值大于放电时
间。
2 硬件设计
2．1 恒流源的设计
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。
因Vi是采用单片机AD转换的标准电压1．5 V，UL≤1．5 V，故n值、RL与Rs的比值，直接影响恒流源电流的输出，只要保证UL小于1．5 V时，该电路输出电流为恒定值，与负载电阻RL没有关系。
2．2 放大电路的设计
放大电路采用以仪表放大器INA128为核心的仪表放大器。
该放大器在放大100倍时带宽可达200
kHz，完全满足了设计的要求。
C1和C2两个电容由相应的恒流源在相同的时间内进行充电，两电容充电电压差由INA128进行放大，并送入单片机进行采样存储。
图4为充放电标准信号与INA128放大后的结果。
3 软件设计
为实现低功耗，系统接入电源后进入低功耗状态，需要外部电平信号才能唤醒。
为了避免系统的误开始测量，当需要测量电容信号时，将触发信号置高，如果20 s内触发信号一直置高，则系统进入循环采集存储状态。
为得到包括触发前和触发后的完整电容信号曲线，一旦电容信号达到预设的触发值，系统便进入触发态，将电容信号存储到闪存，闪存存满后，将RAM中的FIFO数据导入闪存预留地址。
之后，系统进入待读数态，此时插上USB接口，接收到计算机的读数命令之后即可将数据发送至计算机，并且在第一次读取数据之后和掉电以后再上电可重复无数次读取并显示测量结果。
系统的状态设计如图5。
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LPM4；
工作时都处于全功耗态。
4 测量结果
传感器的标定就是通过实验确定传感器的输入量和输出量之间的关系，用以确定传感器系统的线性度、
灵敏度和重复性等静态性能指标。
表1为测量0～5pF电容的数据。
由最小二乘法相关计算公式可得，拟合直线为y=0．993x+0．049，重复性误差为1．77％，非线性误差为0．84％，基本误差为2．61％。
5 结论
本设计的核心硬件由芯片和单片机实现，省去了昂贵的电容测量芯片，由低功耗，低成本的数字芯片组成，有效降低了测量系统的成本。
整个系统电路板面积小于2．7 cm2，工作电流小于8 mA，低功耗电流为0．02 uA，由于待测电容和标准电容均有接地端，所以具有较强的抗干扰能力，并体现了低功耗、体积小等优点。
本测量方案可以非常灵活，实现模块化，所设计的同一块PCB可以移植到许多电容式传感器的
设计中去。