摘要：本文提出利用电容的充放电原理，用恒流源对小电容进行充、放电，利用被测电容电压与标准电容电压的差来确定被测电容的值，并用Pspice/OrCAD对其进行验证。实验结果表明对1pF-50pF的小电容在采样频率为100kHz进行测量时误差在2%以内。是一种采样频率高、精度高、测量方法简单的小电容测量电路。
　　关键词：小电容 恒流源 充放电原理 脉冲
　　中图分类号：TM53
　　1. 引言
　　在测量小电容时（50pF以下），最大的问题就是电路中杂散电容和分布电容的影响，这些电容通常在1pF-20pF左右。如此一来，就对小电容的测量带来的困难。本文提出了一种基于电容充、放电原理的电路，利用高品质的恒流源对小电容和标称电容进行充电，利用两路信号的压差来确定被测电容的大小。此电路能够尽量减小杂散电容和分布电容的影响，大大的提高了电容测量的精确度。
　　2. 基于充放电原理实现的小电容测量电路
　　2.1. 整体电路框图
　　整个电路由脉冲产生模块、信号调理电路、采样电路、仪表放大电路等组成。脉冲信号模块由TI公司生产的LaunchPad产生100kHz的方波（1μS高电平和9μS低电平），起着开关的作用。在经过1μS的充电后，将标准电容和被测电容的电压值送入仪表放大器，经过差分放大的电压由A/D转换器后直接送入LaunchPad，并在液晶屏上显示读数，同时方波由高电平跳入低电平，对标准电容和被测电容进行放电。一个周期的工作完成。
　　根据公式：可以知道电压和电容大小成反比例关系，和时间成正比例关系。在经过仪表放大器放大后电压：
　　恒流源是整个系统的核心，恒流源的输出精度直接影响着整个电路的精度。标准电容取51.2pF，恒流源恒定输出5μA的电流。运放的高开环增益实现在不同负载下的情况下输出电流基本保持恒定，输出电流小也有助于抵抗电路中噪声和纹波的影响。1
　　恒流源输出的波形和电容上电压的变化如下图所示。
　　图1 一个周期内电容电压变化
　　电容电压的变化在0-0.5μS是从理论上是成线性变化的，但由于并联了电阻需要消耗能量，并且有杂散电容和信号的影响，使得在此期间内有高次线性的影响，但是它们的影响可以忽略不计。从0.5μS-10μS是电容的放电时间，一般在5μS可以将电容上的电荷几乎释放掉，为了减小电荷累加带来的误差，将周期调为10μS。
　　2.2. 仪表放大器
　　仪表放大器是将电路电容上输出的电压进行差分放大，然后送往A/D转换器，为了保持与LaunchPad低功耗相同的电压，A/D送入的电压最大为3.3V，由上式可知，在被测电容为1pF的时候仪表放大器输出的电压最大，只要保证此时的电压稍低于3.3V即可。仪表放大器的仿真结果如下图所示。
　　图2 仪表放大器输出电压波形图
　　在0.5μS的时候用A/D读取此刻的电压值即可，利用拟合曲线将被测电容计算出来。
　　3. 结论
　　在实际情况测量下，被测电容的相对误差在2%以内。基本上消除了杂散电容对电路的影响，能够比较精确的测量出小电容的电容值。
　　此种测量方法无论是在工业上或是通讯方面都有着极为广泛的应用，可以用来测量线缆的电容值以及在信号传输过程中电容的变化。2本文介绍的电路功耗低、精确度高、实时性好，是一种优良的测量小电容的方法。
　　1 JIANG Bing， GU Ming. The measurement circuit of mini capacitive based on charging/discharging principle[J].Journal Of Electrical & Electronic Education，2002，24（3）：30 34.
　　2 李阳.高精度微笑电容测量电路的研制[J].上海计量测试，2004，182（4）：19-21.