[发明专利]一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路及测量方法

权利要求书

1.一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其包括电荷补偿模拟前端模块AFE、模拟/数字转换器ADC、数字控制模块、抽取滤波器模块和基准电压模块；所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端与被测电容Cx相连，所述电荷补偿模拟前端模块AFE输出端与模拟/数字转换器ADC输入端相连，所述模拟/数字转换器ADC的输出端与抽取滤波器模块输入端相连；

其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块AFE的输入端设置了补偿电荷阵列模块，所述补偿电荷阵列模块用于根据寄生电容值设置补偿电容值并生成补偿电容阵列码，所述电荷补偿模拟前端模块AFE测得剩余电压并将其输出到模拟/数字转换器ADC；所述模拟/数字转换器对剩余电压进行模数转换并产生过采样数字码流，然后将产生的过采样数字码流输出给抽取滤波器模块；所述抽取滤波器模块将数字码降频和低通滤波后得到最终的模拟/数字转换器的输出数字码；最终电容测量的输出值为所述补偿电容阵列码和所述模拟/数字转换器的输出数字码相加。

2.根据权利要求1所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：所述电荷补偿模拟前端模块AFE包括第一运算放大器CA、比较器COMP、补偿电荷阵列模块、单端转双端模块；

所述第一运算放大器CA的反相输入端连接被测电容Cx、寄生电容和补偿电荷阵列模块，同相输入端连接激励信号VEX；第一运算放大器CA的输出端连接比较器COMP的同相输入端和单端转双端输出模块的输入端，在第一运算放大器CA的输出端和反相输入端之间连接反馈电容Cfb和复位开关RST_CA，反馈电容Cfb和复位开关RST_CA并联；

比较器COMP的反相输入端连接共模电压VCM，比较器的VOUTN端和VOUTP端连接补偿电荷阵列模块。

3.根据权利要求2所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：补偿电荷阵列模块包含补偿电容、电容开关SWITCH、逻辑控制单元DYNAMIC；

补偿电容采用9个电容，各补偿电容的上极板连接到第一运算放大器CA的反相输入端，各补偿电容的下极板和激励信号NVCR之间均连接有一个电容开关SWITCH，每个SWITCH又与一个逻辑控制单元DYNAMIC相连；

各补偿电容的下极板连接电容开关SWITCH的OUT端，电容开关SWITCH的D端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端相连，电容开关SWITCH的N端与对应的逻辑控制单元DYNAMIC的N端相连，电容开关SWITCH的IN端与激励信号NVCR相连；

第一补偿电容C8对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端接复位信号RST_COMPENSATE，其余各补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的D端分别接上一个补偿电容对应的逻辑控制单元DYNAMIC的Q端，各逻辑控制单元DYNAMIC的CMPP端和CMPN端分别与比较器COMP的VOUTN端和VOUTP端经反相器取反后相连；各逻辑控制单元DYNAMIC的VALID端与比较器COMP的VOUTN端、VOUTP端经或非门后相连。

4.根据权利要求3所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：9个补偿电容的电容值为二进制权值分布，即C8＝2C7＝4C6＝8C5＝16C4＝32C3＝64C2＝128C1＝256C0。

5.根据权利要求4所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：所述单端转双端输出模块包括第二运算放大器、第三运算放大器；第二、三运算放大器的同相输入端均与共模电压VCM相连，第二、三运算放大器的反相输入端均通过采样电容Cs1与第一运算放大器CA的输出端相连，上述反相输入端与采样电容Cs1之间还分别连接单转双开关PUSAI2、PUSAI1；第二运算放大器的反相输入端与其输出端VP之间连接有复位开关RST_P和采样电容Cs2，复位开关RST_P和采样电容Cs2并联；第三运算放大器的反相输入端与其输出端VN之间连接有复位开关RST_N和采样电容Cs3，复位开关RST_N和采样电容Cs3并联。

6.根据权利要求5所述一种基于电荷补偿模拟前端的电容测量电路，其特征在于：电荷补偿模拟前端模块AFE的比较器COMP采用预放大和锁存结构。