一种任意交流载波下的电容特性测量电路及其方法
【专利摘要】本发明公开一种任意交流载波下的电容特性测量电路及其方法，电路包括任意交流载波、变压器、测量装置、第一电容、第二电容以及属性相同的第一电感和第二电感，变压器包括匝数比为N:1:1的原边、第一副边和第二副边，第一电容和第二电容为属性相同的待测电容，任意交流载波接入变压器的原边，第一、第二副边的异名端相连接，第一副边的同名端通过第一电感连接第一电容的一端，第二副边的同名端通过第二电感连接第二电容的一端，第一、第二电容的另一端相连接，测量装置的分别连接第一、第二电容的一端，第一、第二副边的连接点与第一、第二电容的连接点连通。本发明的测量电路简单，无复杂运算，测量过程简洁方便，测量误差更小。
【专利说明】
一种任意交流载波下的电容特性测量电路及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电子技术，尤其涉及一种任意交流载波下的电容特性测量电路及其方 法。
【背景技术】
[0002] 电容器是电路中最基础的元器件之一，在低压低频下电容特性比较稳定，可以通 过测定其静态特性(包括电容容值、电容等效串联电阻和电容等效串联电感等)大致表达其 特性。但是在高频下，电容器将会随着频率的增高呈现出感性，而且在一定的交流偏压下， 电容特性也与静态时所测定的不同，这将会给电路设计、EMI设计带来极大干扰和难度。当 前开关电源朝着高频化发展，电容器等容性器件起到交流滤波作用应用广泛，但是在高频 交流载波下电容器的特性会发生改变使得静态测定的电容特性已经失去其意义。所以测定 动态情况下尤其是交流偏压下电容特性有其必要性。
[0003] 现有测量电容参数方法为用万用表等仪器设备测定电容的静态特性，仪器分模拟 式和数字式两种。
[0004] 模拟式仪器主要通过电桥法或者谐振法测量电容的静态特性，其中电桥法广泛应 用于普通万用表。模拟法测得的数值难以达到较高精度。
[0005] 数字式仪器主要通过先在待测物两端加小信号源，再通过数字传感器采集待测物 体两端的电压、电流信号，通过微处理器分析运算即可得出该待测物的特性。提高传感器精 度、微处理器AD采样精度、处理器运算精度以及合理的算法均可以有效提高测试精度。故数 字式仪器普遍比模拟式高。目前普遍使用的数字化仪器有LCR表、阻抗分析仪、网络分析仪 等。
[0006] 上述两种测量方法均不允许待测物两端带强电工作，否则可能烧毁仪器产生严重 后果，仪器测得的数据为电容的静态特性，无法实现电容在高压交流载波情况下的特性测 量。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种任意交流载波下的电容特性测 量的电路及其方法。
[0008] 本发明采用的技术方案是：
[0009] -种任意交流载波下的电容特性测量电路，其包括任意交流载波源、变压器、第一 电感、第二电感、测量装置、第一电容、第二电容，所述变压器包括原边、第一副边和第二副 边，原边、第一副边和第二副边的匝数比为N:1:1，N为任意正数，所述第一电感和第二电感 的属性相同，第一电容和第二电容为属性相同的待测电容，所述任意交流载波源接入变压 器的原边，第一副边的异名端和第二副边的异名端连接，第一副边的同名端通过第一电感 连接第一电容的一端，第二副边的同名端通过第二电感连接第二电容的一端，第一电容的 另一端和第二电容的另一端连接，测量装置的两个测量端子对应连接第一电容的一端和第 二电容的一端，第一副边和第二副边的连接点与第一电容和第二电容的连接点连通。
[0010]所述测量装置由高频电压激励源、电压测量装置和电流测量装置组成，所述电流 测量装置的一端连接第一电容的一端和电压测量装置的一端，电流测量装置的另一端连接 高频电压激励源的一端，高频电压激励源的另一端分别连接第二电容的一端和电压测量装 置的另一端。
[0011] 所述第一电感或第二电感的感抗数值为待测电容的容抗数值的5倍以上且越大越 好。
[0012] -种任意交流载波下的电容特性测量方法，应用于所述一种任意交流载波下的电 容特性测量电路，其包括以下步骤：
[0013] 步骤1、将任意交流载波源接入变压器的原边；
[0014] 步骤2、利用测量装置获取第一电容和第二电容串联时的阻抗曲线；
[0015] 步骤3、从阻抗曲线中选取一测量频率为f的点，根据测量装置测得的总阻抗Z，计 算得到待测电容的容抗Zc;
[0016] 当所述测量装置由高频电压激励源、电压测量和电流测量装置组成时，待测电容
其中u(t)为电压测量装置测量结果，i(t)为电流测量装置测量结果；
[0017] 步骤4、计算待测电容的容值C(t)，待测电容的瞬时容值C(t)的计算公式如下：
[0019] 其中，Zc(t)为待测电容的容抗，f为测量频率即高频激励源频率；
[0020] 等效串联电阻ESR的值为Zc (t)的实部部分，
[0021] ESR(t)=Re(Zc(t)) (2)；
[0022] 步骤5、综合步骤3~4的公式即可得出待测电容随任意载波变化的具体各项参数。
[0023] 本发明采用以上技术方案，解决了电容器件在任意交流载波下难以测量动态特性 的难题。本发明的测量电路简单，后端运用测量装置测量所得数据为两个电容串联数据，没 有复杂运算，整个测量过程简洁方便。本发明的技术方案尤其在高频交流载波情况下变压 器、第一电感、第二电感可以做的较小，测量误差更小。
【附图说明】
[0024]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明；
[0025] 图1为本发明一种任意交流载波下的电容特性测量电路的结构示意图之一；
[0026] 图2为本发明一种任意交流载波下的电容特性测量电路的结构示意图之二；
[0027] 图3为本发明一种任意交流载波下的电容特性测量电路的待测电容的串联模型。
【具体实施方式】
[0028] 实施例1:如图1-3之一所示，本发明一种任意交流载波下的电容特性测量电路，其 包括任意交流载波源1、变压器2、第一电感3、第二电感4、测量装置7、第一电容5、第二电容 6,所述变压器2包括原边、第一副边和第二副边，原边、第一副边和第二副边的匝数比N1: N2:N3 = N: 1:1，N为任意正数，所述第一电感3和第二电感4的属性相同，第一电容5和第二电 容6为属性相同的待测电容，所述任意交流载波源1接入变压器2的原边，第一副边的异名端 和第二副边的异名端连接，第一副边的同名端通过第一电感3连接第一电容5的一端，第二 副边的同名端通过第二电感4连接第二电容6的一端，第一电容5的另一端和第二电容6的另 一端连接，测量装置7的两个测量端子对应连接第一电容5的一端和第二电容6的一端，第一 副边和第二副边的连接点与第一电容5和第二电容6的连接点连通。
[0029] 所述测量装置7由高频电压激励源73、电压测量装置72和电流测量装置71组成，所 述电流测量装置71的一端连接第一电容5的一端和电压测量装置72的一端，电流测量装置 71的另一端连接高频电压激励源73的一端，高频电压激励源73的另一端分别连接第二电容 6的一端和电压测量装置72的另一端。
[0030] 所述第一电感3或第二电感4的感抗数值为待测电容的容抗数值的5倍以上且越大 测量误差越小。
[0031] -种任意交流载波下的电容特性测量方法，应用于所述一种任意交流载波下的电 容特性测量电路，且所述测量装置7由高频电压激励源73、电压测量装置72和电流测量装置 71组成的场合，其包括以下步骤：
[0032] 步骤1、将任意交流载波源1接入变压器2的原边；
[0033] 步骤2、利用测量装置7获取第一电容5和第二电容6串联时的阻抗曲线；
[0034] 步骤3、从阻抗曲线中选取一测量频率为f的点，根据测量装置7测得的总阻抗Z，计 算得到待测电容的容抗Zc;
[0035]当所述测量装置由高频电压激励源、电压测量和电流测量装置组成时，待测电容
'其中u(t)为电压测量装置测量结果，i(t)为电流测量装置测量结果；
[0036] 步骤4、计算待测电容的容值C(t)，待测电容的瞬时容值C(t)的计算公式如下：
[0038]其中，Zc(t)为待测电容的容抗，f为测量频率即高频激励源频率；
[0039]等效串联电阻ESR的值为ZC (t)的实部部分，
[0040] ESR(t)=Re(Zc(t)) (2)；
[0041] 步骤5、综合步骤3~4的公式即可得出待测电容随任意载波变化的具体各项参数。 [0042]本发明采用以上技术方案，解决了电容器件在任意交流载波下难以测量动态特性 的难题。本发明的测量电路简单，后端运用测量装置7测量所得数据为两个电容串联数据， 没有复杂运算，整个测量过程简洁方便。本发明的技术方案尤其在高频交流载波情况下变 压器2、第一电感3、第二电感4可以做的较小，测量误差更小。本实施例采用以上技术方案， 解决了电容器件在任意交流载波下难以测量动态特性的难题。
[0043]综上所述，本发明适用于任意交流载波源1输入，第一电容5和第二电容6为两个属 性一致的待测电容，变压器2的典型匝比为N1: N2: N3 = N: 1:1 (其中N为任意正小数或整数）， 第一电感3和第二电感4大小相同属性一致，第一电感3和第二电感4的感抗容量应尽量大， 使得其在高频下第一电感3和第二电感4的感抗大于待测电容容抗大小5倍以上，对于载频 率下，其外加阻抗很小，等效为通路，提高测量精度。本发明先测出除电容以外的其它器件 的阻抗特性，然后将加上电容后的偏压下阻抗。这样从测量装置7来看即可视为断路，所测 量的结果不受电感影响。在任意交流源的激励下，变压器2的两个副端感应出两个相同大小 但方向相反的交流载波，其中第一电容5的一端A和第二电容6的一端B所感应出的电压相位 均一致，且该A、B两端无压降，故可以在A、B两点并接测量装置7,测量装置7为一个高频激励 源、电压测量装置72、电流测量装置71串联电路，时间扫描采样出串联的第一电容5和第二 电容6两端电压电流，电压测量装置72所示电压除以电流测量装置71所示电流即可得出两 个待测电容实时阻抗特性Z。
[0044]本发明针对目前难以测定的电容器件在交流载波下的特性测量提出了一种新的 测量方法，能够有效准备测定任意交流载波下的电容的特性。本发明的测量电路简单，后端 运用测量装置7测量所得数据为两个电容串联数据，没有复杂运算，整个测量过程简洁方 便。本发明的技术方案尤其在高频交流载波情况下变压器2、第一电感3、第二电感4可以做 的较小，测量误差更小。
【主权项】
1. 一种任意交流载波下的电容特性测量方法，其特征在于:其包括任意交流载波源、变 压器、第一电感、第二电感、测量装置、第一电容、第二电容，所述变压器包括原边、第一副边 和第二副边，原边、第一副边和第二副边的应数比为N: 1:1，N为任意正数，所述第一电感和 第二电感的属性相同，第一电容和第二电容为属性相同的待测电容，所述任意交流载波源 接入变压器的原边，第一副边的异名端和第二副边的异名端连接，第一副边的同名端通过 第一电感连接第一电容的一端，第二副边的同名端通过第二电感连接第二电容的一端，第 一电容的另一端和第二电容的另一端连接，测量装置的两个测量端子对应连接第一电容的 一端和第二电容的一端，第一副边和第二副边的连接点与第一电容和第二电容的连接点连 通。2. 根据权利要求1所述一种任意交流载波下的电容特性测量电路，其特征在于:所述测 量装置由高频电压激励源、电压测量装置和电流测量装置组成，所述电流测量装置一端连 接第一电容的一端和电压测量装置的一端，电流测量装置的另一端连接高频电压激励源的 一端，高频电压激励源的另一端分别连接第二电容的一端和电压测量装置的另一端。3. 根据权利要求1所述一种任意交流载波下的电容特性测量电路，其特征在于:在测试 频率下所述第一电感或第二电感的感抗数值为待测电容的容抗数值的5倍W上。4. 一种任意交流载波下的电容特性测量方法，应用于权利要求2所述的一种任意交流 载波下的电容特性测量电路，其包括W下步骤： 步骤1、将任意交流载波源接入变压器的原边； 步骤2、利用测量装置获取第一电容和第二电容串联时的阻抗曲线； 步骤3、从阻抗曲线中选取一测量频率为f的点，根据测量装置测得的总阻抗Z，计算得 到待测电容的容抗Zc; 当所述测量装置由高频电压激励源、电压测量和电流测量装置组成时，待测电容的容 抗Zc阳=^，其中u(t)为电压测量装置测量结果，i(t)为电流测量装置测量结果； 步骤4、计算待测电容的容值C(t)，待测电容的瞬时容值C(t)的计算公式如下：?) 其中，Zc (t)为待测电容的容抗，f为测量频率即高频激励源频率； 等效串联电阻ESR的值为Zc (t)的实部部分， ESR(t)=Re(Zc(t)) (2)； 步骤5、综合步骤3~4的公式即可得出待测电容随任意载波变化的具体各项参数。
【文档编号】G01R27/26GK106093642SQ201610405888
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈庆彬, 张伟豪, 陈为
【申请人】福州大学