一種微小電容測量儀的設計與實現

蘇世熙，曾國強，喻明福，朱勁夫，羅 群

（成都理工大學 核技術與自動化工程學院，成都 610051）

目前對于小電容的測量比較常用的方式是使用數字萬用表直接測量，但使用這種方法很難達到很高的精度，同時測量范圍也很小，對于很多微小電容甚至根本無法測量。傳統的高精度電容測量的方法有交流電橋式、充/放電式、交流鎖相放大式等測量方法。對于交流電橋而言，因其本身沒有平衡措施，調節起來較為繁瑣，測量速度較慢。充/放電電容檢測電路采用直流放大，存在較大漂移并且存在電荷注入的問題。交流鎖相放大這種方法的測量性能最好，但是成本高昂且頻率受到限制。

針對以上方案存在的局限性，本文提出了一種低成本、小體積、高精度、操作簡便的微小電容測量儀設計。在設計中參考了文獻[1]對于微小電容測量儀的設計方法，在此基礎上設計并制作出了完整的切實可行的測量電路，并通過引入信號積分，提高A/D轉換精度，減少寄生電容等一系列措施提高了測量精度，實際測量的數據表明，本測量儀達到了2%的測量精度。

1 系統總體設計

整個系統由主測量電路、信號積分電路、A/D轉換電路、測量結果顯示電路等幾部分電路組成。MSP4305529單片機包含定時計數器、看門狗定時器、設計掉電檢測、上電復位電路，主要用于控制ADC采集數據并作簡單的前后比對處理，處理結果通過LCD液晶屏顯示出測量結果。按鍵作為外部中斷源用于對不同數量級電容測量量程的切換。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall structure of the system

2 測量方案設計

系統測量原理如圖2所示，測量方法是將電容的容值轉換成電壓值來測量的。首先產生的1路方波激勵信號，其頻率在1.1 kHz～110 kHz之間（所產生信號的頻率范圍與待測電容的容值范圍）[2]。該激勵方波信號經過施密特觸發器緩沖之后產生一個上升沿與下降沿更加陡峭、電流驅動能力更強的方波，通常可通過并聯多個施密特觸發器的方式提高電流驅動能力，從而可以提高對待測電容RC回路的激勵效果。激勵信號輸入到2個時間常數不相同的RC延遲電路之后，輸出2路上升時間不同，相位不同的準方波信號 （在經過RC延遲電路時稍有失真）。該2路準方波信號通過異或門，異或門的2個輸入端由于2路準方波信號的上升時刻與上升時間不同從而觸發的時刻不同，導致輸出1路PWM波信號，該PWM信號的占空比顯然與2路準方波信號的相位成線性關系。因此可通過對該PWM信號積分達到的直流電壓信號獲知2路準方波信號的相位差，而2路準方波信號的相位差則正比于2路RC回路的時間常數，當R相同時，也就是正比于2路RC回路的電容容值差。因此可通過測量PWM的積分直流電壓信號而判斷待測電容的大小。

圖2 測量原理示意Fig.2 Diagram of measurement principle

3 硬件電路設計

本電容測量儀采用模塊化設計方法，可有助于簡化設計并提高調試效率和成功率。整個系統分成主測量、信號積分、模數轉換和數據處理等幾個電路部分。

3.1 電源電路設計

由于在本儀器電路中存在運算放大器、ADC芯片、單片機等元器件需要提供多個電源電壓，為盡量提高電源的效率，精簡電路結構，系統中大量采用開關式集成穩壓器。

整個電源部分共提供3種電平，+5 V用于主測量電路的數字器件和ADC的電源；-5 V則是給ADC芯片的電源VDD；+3.3 V是MSP4305529單片機的電源。9 V電池選用的是疊層電池，該種電池質量輕便，非常適宜于使用在便攜設備上[3]。

3.2 測量主電路設計

本儀器的測量主電路如圖3所示。電路中，施密特觸發器U1B與撥動開關、電阻、電容、電位器等共同組成了方波產生電路。選擇開啟不同的開關便可產生不同頻率段的方波，從而可以測量不同量程范圍的電容。后續幾個施密特觸發器被用于對方波的整形和提高電流驅動能力。由于由上一級電路產生的電路的波形不是很理想，其邊沿變化比較緩慢，在分析小電容時靈敏度會下降，因此將該信號通過多個并聯的施密特觸發器，實現整形獲得陡峭的邊沿，同時也增大了電流驅動能力。整形后的方波信號輸入到2個通道的RC電容構成的移相器；其中一路由可變電容與10 kΩ電阻組成，另一路由待測電容與10 kΩ電阻組成。

圖3 主測量電路設計Fig.3 Main measurement circuit

由于在實際電路中有寄生電容的存在，可調電容在這里起平衡作用（因此在使用本儀器之前也需要調節可調電容平衡掉寄生電容，使輸出電壓為零，也稱之為儀器調零）。當電路中接入待測電容時接入的電容與電阻組成RC電路具有相位延遲0°～90°作用（延遲大小根據電容的容值不同而不同）。這樣，經過2路RC后，2路方波便產生了相位差，但是信號經過RC電路之后因為電容充電等原因，波形會變差，因此2路方波再經過觸發器進行整形。整形之后分別輸入到異或門的2個輸入端。當2路信號同時為高電平或低電平時異或門輸出低電平，當兩路信號一路為高電平，一路為低電平時異或門輸出高電平。由于2路方波存在相位差，信號通過異或門之后就形成了一路受相位差控制的PWM波[4]。產生的PWM波如圖4所示。

圖4 主測量電路輸出波形Fig.4 Output waveform of main measurement

電路中2路RC電路中設平衡電容為C0，待測電容為Cx，電阻為R0，輸入方波頻率為f0。2條電路的電阻均為R0。電路中寄生電容與待測電容為并聯關系。

平衡端的時間常數：

測量端的時間常數：

方波的傅里葉展開式：

相頻特性函數：

對于第一路：

對于第二路：

式中ω=2π f0

輸出兩路波形相位差：

代入之后：

當儀器校零后輸入的ω相同，Δφ只與待測電容Cx有關，并且函數在RCω∈（-1，1）范圍內呈線性關系[5]。

圖3電路中A點和B點產生的相位差，由異或門的輸入與輸出關系可知，當A和B一個為高電平另一個為低電平的時候，異或門輸出高電平。所以在圖中的C點輸出的波形與A點與B點之間的相位差相關（當A點與B點存在相位差時C點輸出為高電平）。最后這列受相位差控制的PWM波再經過幾個異或門在“SIN”輸出的波形如圖4所示。

3.3 積分電路設計

電路的積分處理部分如圖5所示，“SIN”為上級測量主電路產生的PWM波，為便于后續的測量，以及實現與后級電路的阻抗匹配，通過引入積分電路來提高輸出阻抗。同時還能有效地減少電壓因接入后續電路而引起的波動，提高了測量的精度。圖中上級電路產生的PWM波從“SIN”輸入，經由積分電路后信號倍積分產生積分波形從“SIN1”輸出。

圖5 積分電路設計Fig.5 Integral circuit

電路中C9為積分電容，將電阻R4與其并聯可引進直流負反饋，能夠有效地抑制失調電壓與失調電流造成的漂移。由于電路中電容的漏電阻對積分電路的輸出影響較大，為提高電路精度，此處應該選用漏電小，質量好的電容。C2，C3為電源去耦電容，為了盡可能地減少來自電源的擾動，在這里將2個一大一小的電容并聯，其中對于容值較大的電容選擇鉭電容，小電容使用陶瓷電容。關于運放的選型，主要考慮到AD820的輸出電壓范圍廣，可單電源供電等特點，因此使用起來十分方便。積分電路對信號積分的效果如圖6所示。

圖6 積分波形Fig.6 Integral waveform

3.4 ADC電壓采樣設計

本設計選擇ICL7135作為A/D轉換芯片。圖7為其時序圖。在信號積分相開始時，ICL7135的BUSY信號變高并保持，直到去積分相結束時才跳回低電平。滿量程情況下此區域中最多能有30002個脈沖。去積分相的脈沖個數反映了轉換結果[6]。

圖7 ICL7135時序圖Fig.7 ICL7135 sequence diagram

3.5 電路抗干擾措施

對于測量電路，應妥善解決電源去耦的問題。注意模擬地與信號地、數字信號地要區分開來，防止電壓串擾。所以應將幾種電源的供電走線分開，與此同時還需要對電源本身進行處理，盡量減少來自電源的干擾信號。

在進行PCB布局時應將去耦電容盡量靠近芯片；各走線應盡量的短而直；注意加入0 Ω電阻將不同地分開；對于接地線應該盡量短不要發生串接的情況；在測量電容的接線柱處應盡可能減少寄生電容，因此在此處最好不要敷地。

4 測量數據分析與處理

4.1 各量程測試數據

在數據測試中采用聚炭脂薄膜電容，云母電容，CBB電容等高精度、高穩定度電容作為測試電容。選取不同容值范圍的電容進行測量。使用超高精度電容測試儀對電容的容值進行測量時以測量得到的數據作為實際值。超高精度電容測試儀儀器型號為ZJ2618B，電容測試精度為0.05%。

4.2 測試數據說明

測試數據表1說明，除首個測量數據誤差較大，3個數據的測量精度為5%，1個數據的測量數據4%之外其余數據的精度均為2%還有的甚至更高。電容值越大測量取得的精度越高。整體上本儀器對電容測量精度達到2%。取得了較高的測量精度。

表1 各量程測試數據Tab.1 The test data

5 結語

從整體來看，測量儀器達到了較高的測量精度。并且相較于其他精度較高的測量方法，測量儀采用測量電路相對簡單，因此儀器具有可觀的電路可靠性。在成本方面，測量儀均采用常用元器件，因此測量儀成本低廉，有利于廣泛普及。同時儀器操作簡單、使用方便、體積小巧、攜帶方便，在很多場合均能使用。

[1] JIM ROWE.Low-capacitance adaptor for DMMs[J].Everyday Practical Electronics，2013（7）：31-35.

[2] 王江燕，來新泉，傅啟昌.一種頻率可調振蕩器的設計[J].電子科技，2007（4）：5-11.

[3] 戶川明治.實用電源電路設計[M].北京：科學出版社，2006.

[4] 閻石.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 奧本海姆.信號與系統[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2006.

[6] 王麗華.A/D轉換器ICL7135與單片機接口及C程序設計[J].科技廣場，2012（1）：182-184.