基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法，包括：搭建对称的差动电容测量电路，差动电容测量电路中包括开关控制电路、一个待测电容和多个参考电容；在开关控制电路断开或闭合过程的前后分别加入随机电压控制序列；用随机电压控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵；使用正交随机坐标系矩阵乘以各个坐标定义的电荷流入流出变化的方向向量，得到总电荷变化量；测量出差动电容测量电路的输出电压值；用总电荷变化量除以输出电压值得到待测电容值。通过在开关控制电路上加入一个随机电压控制序列，其产生的正交随机坐标系可以减少电荷泄露的影响，解决了差动电容测量的控制电荷移动的精确开关问题，能更精确地测量出电容值。精确地测量出电容值。精确地测量出电容值。

【技术实现步骤摘要】
基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及微电子
，具体涉及一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的差动式电容测量方法是用电子开关不断切换电源两端正负电压，就带来对称的对参考电容和测量电容的充放电，并且似乎完美地消去了各个杂散电容。这是清华大学的黄松明的专利技术，他设计一个对称的电容充放电电路示意图如图1所示，电源1和电源2是用电子开关控制交替在正负方向开闭路，输出也是用电子开关控制交替进行充放电，就形成不断充放电的回路。这种情况下每一个杂散电容都有一个电极接地，在对称的充放电情况下其作用被抵消，对称的电容充放电电路中杂散电容有一个电极接地的电路示意图如图2所示。黄松明后来简化的设计是直接对待测电容进行充放电，也一样假设了每一个杂散电容只有一个电极在充放电，在对称的充放电情况下其噪声作用被抵消。对称的电容充放电电路中杂散电容只有一个电极在充放电的电路示意图如图3所示。黄松明以上的电路理论很好，运行却不成功，这是由于电子开关误差可能提前泄露或注入电荷，产生不可避免的测量误差，在测量电容很小的时候这个电荷泄露会有很大的影响。采样过程不断重复，就能产生一个如下的积分过程∫
X
h(x)f(x)dx(其中x为电流，f(x)为电流分布的密度函数，h(x)为采样损失)。这个积分过程就产生采样损失函数h(x)求和的过程，近似于(其中就是Xi就是采样序列)，就是一个平滑平均过程，从而引起一个低频的振荡，使得测量结果周期性的上下振荡，这可以从测量小电容的过程看出来。
[0003]另外，杂散电容只有一个电极在充放电的假设也带来困难。在屏蔽电线之间可能存在相对的杂散电容。这部分杂散电容的作用是滤去高频噪声，使开关电路从方波变成平缓的曲线，这样就改变了开关电路的开闭时间。这个开闭时间对电容传感器的精确测量是很重要的，因为这会改变电荷注入或者泄露的时间长度，由于开关电路交替控制电源的方向，因为电源很大，这个时间长度的改变也会产生很大的误差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术实施例提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法及系统，解决了差动电容测量的控制电荷移动的精确开关问题，能精确测量出电容值。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法，包括以下步骤：
[0006]搭建对称的差动电容测量电路，所述差动电容测量电路中包括开关控制电路、一个待测电容和多个参考电容；
[0007]在开关控制电路断开或闭合过程的前后分别加入随机电压控制序列；
[0008]用随机电压控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵；
[0009]使用所述正交随机坐标系矩阵乘以各个坐标定义的电荷流入流出变化的方向向量，得到总电荷变化量；
[0010]测量出差动电容测量电路的输出电压值；
[0011]用总电荷变化量除以输出电压值得到待测电容值。
[0012]可选地，所述随机电压控制序列采用输出电压值递归后得到的随机电压控制序列。
[0013]可选地，所述用随机控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵的具体方法包括：
[0014]调整正交随机坐标系矩阵，并用矩阵的对角线展开式上的特征值序列的值进行排序；
[0015]得到一个反映最佳正交随机坐标系的优化随机比特序列。
[0016]可选地，所述待测电容和参考电容的方向向量互补。
[0017]第二方面，本专利技术实施例提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量系统，包括测量电路搭建模块、随机开关序列控制模块、总电荷变化量计算模块、输出电压测量模块和待测电容值计算模块，
[0018]所述测量电路搭建模块用于搭建对称的差动电容测量电路，所述差动电容测量电路中包括开关控制电路、一个待测电容和多个参考电容；
[0019]所述随机开关序列控制模块用于在开关控制电路断开或闭合过程的前后分别加入随机电压控制序列；
[0020]所述总电荷变化量计算模块用随机电压控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵，使用所述正交随机坐标系矩阵乘以各个坐标定义的电荷流入流出变化的方向向量，得到总电荷变化量；
[0021]所述输出电压测量模块用于测量出差动电容测量电路的输出电压值；
[0022]所述待测电容值计算模块用总电荷变化量除以输出电压值得到待测电容值。
[0023]可选地，还包括校正模块，所述校正模块采用输出电压值递归后得到的随机电压控制序列进行校正。
[0024]可选地，所述总电荷变化量计算模块包括矩阵构建单元，所述矩阵构建单元用于调整正交随机坐标系矩阵，并用矩阵的对角线展开式上的特征值序列的值进行排序，得到一个反映最佳正交随机坐标系的优化随机比特序列。
[0025]可选地，所述待测电容和参考电容的方向向量互补。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]本专利技术实施例提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法及系统，通过在开关控制电路上加入一个随机电压控制序列，其产生的正交随机坐标系可以减少电荷泄露的影响，解决了差动电容测量的控制电荷移动的精确开关问题，能更精确地测量出电容值。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件
或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0029]图1示出了
技术介绍
中的对称的电容充放电电路的电路示意图；
[0030]图2示出了
技术介绍
中的对称的电容充放电电路杂散电容有一个电极接地的电路示意图；
[0031]图3示出了
技术介绍
中的对称的电容充放电电路中杂散电容只有一个电极在充放电的电路示意图；
[0032]图4示出了本专利技术第一实施例所提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法的流程示意图；
[0033]图5示出了本专利技术第一实施例中的一种对称的差动电容测量电路示意图；
[0034]图6示出了本专利技术第一实施例中的另一种对称的差动电容测量电路示意图；
[0035]图7示出了本专利技术第一实施例中的另一种对称的差动电容测量电路示意图；
[0036]图8示出了本专利技术第一实施例中的另一种对称的差动电容测量电路示意图；
[0037]图9示出了本专利技术另一实施例所提供的一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量系统的结构示意图。
具体实施方式
[0038]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建对称的差动电容测量电路，所述差动电容测量电路中包括开关控制电路、一个待测电容和多个参考电容；在开关控制电路断开或闭合过程的前后分别加入随机电压控制序列；用随机电压控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵；使用所述正交随机坐标系矩阵乘以各个坐标定义的电荷流入流出变化的方向向量，得到总电荷变化量；测量出差动电容测量电路的输出电压值；用总电荷变化量除以输出电压值得到待测电容值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机电压控制序列采用输出电压值递归后得到的随机电压控制序列。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用随机控制序列构建最优的正交随机坐标系矩阵的具体方法包括：调整正交随机坐标系矩阵，并用矩阵的对角线展开式上的特征值序列的值进行排序；得到一个反映最佳正交随机坐标系的优化随机比特序列。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测电容和参考电容的方向向量互补。5.一种基于随机开关信号的电荷转移差动式电容测量系统，其特征在于，包括测量电路搭建模块、随机开关序列控制模块、总电荷变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：常松，盛建东，蒋平安，陈冰，张凯，程军回，王新军，张文洁，
申请(专利权)人：新疆海狸农牧业软件有限公司，
类型：发明
国别省市：