基于MAX038的簡(jiǎn)易小電容測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于MAX038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的小電容測(cè)試儀，其原理是將函數(shù)發(fā)生器的外接電容看作被測(cè)電容而產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)輸出，選用TM4C123GH6PM 微控制器實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量頻率值，然后計(jì)算出被測(cè)電容值。為了提高準(zhǔn)確度，采用最小二乘法分段擬合曲線，同時(shí)與準(zhǔn)確度較高的LCR表進(jìn)行分段比對(duì)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正并顯示測(cè)量結(jié)果。該測(cè)試儀測(cè)量范圍為10 pF～1 μF的小電容。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試儀具有運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量快速的特點(diǎn)，準(zhǔn)確度可達(dá)1級(jí)。

關(guān)鍵詞： MAX038； 小電容測(cè)試； TM4C123GH6PM； 等精度測(cè)頻

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP211+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0153?03

本文通過研究標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生以及信號(hào)頻率與電容容值的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于MAX038便攜式電容測(cè)試儀。在設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)[1?4]和比對(duì)修正[5]方法，使得測(cè)試儀具有快速、較準(zhǔn)確地測(cè)出電容值的特點(diǎn)。它不僅可作為一般的便攜式電容測(cè)試儀使用，而且更適合作為學(xué)生課程設(shè)計(jì)的選題，從而使他們?cè)趯?shí)踐中成長(zhǎng)，在改進(jìn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新中成才。

1 簡(jiǎn)易小電容測(cè)試儀的硬件組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的電容測(cè)試系統(tǒng)主要包括電源模塊、函數(shù)信號(hào)發(fā)生模塊、放大調(diào)理模塊、TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)以及顯示模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電源模塊為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器MAX038提供±5 V電源，同時(shí)，利用低壓差線性調(diào)壓器LM1117將5 V電壓降至3.3 V，為TM4C123GH6PM 供電；MAX038函數(shù)發(fā)生器提供準(zhǔn)確的方波信號(hào)，其頻率與被測(cè)電容有關(guān)；方波信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大后，由TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)測(cè)算出頻率，進(jìn)而推算出被測(cè)電容的容值，最后顯示在LCD屏上。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和頻段選擇

1.1.1 函數(shù)發(fā)生器MAX038

函數(shù)信號(hào)發(fā)生模塊用來產(chǎn)生一個(gè)頻率與電容相關(guān)的準(zhǔn)確信號(hào)，通過測(cè)量該信號(hào)的頻率從而計(jì)算得知電容容值。本設(shè)計(jì)采用的MAX038是一款低失真、高頻、高精度單片集成函數(shù)發(fā)生器，通過少量的外接元件可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的高頻三角波、正弦波、方波等，輸出頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz。MAX038輸出信號(hào)的頻率由調(diào)頻輸入電壓[UFADJ、]參考電流[IIN]及外接振蕩電容共同決定。

當(dāng)[UFADJ=]0 V時(shí)，[IIN]端與基準(zhǔn)電壓輸出端REF之間外接一電阻[RIN，][IIN=UREFRIN。]輸出振蕩頻率為：

[f0=UREF（RINCF）] （1）

式中[CF]即為外接在MAX038上的被測(cè)電容。

1.1.2 頻段選擇

本測(cè)試系統(tǒng)中，在盡量擴(kuò)充測(cè)量容值的前提下，MAX038的外接電阻[RIN]應(yīng)滿足兩個(gè)條件：

（1） MAX038的輸出頻率不宜過低，否則等精度測(cè)頻的測(cè)量準(zhǔn)確度就會(huì)降低；以輸出頻率50 Hz為例，外接電阻[RIN]不應(yīng)大于5 kΩ。

（2） 保證輸出頻率不超過20 MHz，可盡量取阻值較大的電阻，但應(yīng)同時(shí)兼顧[IIN]的最佳工作電流范圍；例如設(shè)定[IIN]為100 μA，可使電路產(chǎn)生的溫度系數(shù)最小。

綜合上述因素，本測(cè)試系統(tǒng)中取三種外接阻值將電容測(cè)量分為兩個(gè)檔位：取[RIN=]12.5 kΩ用于1 μF～1 nF檔；取[RIN=]25 kΩ用于1 000～10 pF檔。

1.2 放大調(diào)理模塊

MAX038輸出的方波信號(hào)經(jīng)過放大調(diào)理模塊后，幅值放大到TM4C123GH6PM可接受的幅值范圍。該模塊采用AD8048接成同相比例放大電路，按照MAX038外接10 pF電容的輸出信號(hào)，幅值放大到3 V左右調(diào)節(jié)放大電路的增益。

1.3 TM4C123控制模塊

TM4C123GH6PM微控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是采用等精度測(cè)頻法[6?9]測(cè)量MAX038輸出的方波信號(hào)頻率；二是應(yīng)用最小二乘法擬合和比對(duì)修正方法準(zhǔn)確計(jì)算并顯示被測(cè)電容值。

等精度測(cè)頻的工作波形如圖2所示。由TM4C123GH6PM 內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)閘門信號(hào)，計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B在閘門信號(hào)內(nèi)分別對(duì)測(cè)量信號(hào)（方波頻率為[fx]）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（時(shí)標(biāo)頻率為[fc]）同時(shí)計(jì)數(shù)。設(shè)在一次預(yù)置閘門時(shí)間[T]內(nèi)對(duì)方波信號(hào)的計(jì)數(shù)值為[NA，]對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為[NB，]則有：

[fx=（fcNA）NB] （2）

當(dāng)閘門信號(hào)[T=1 ]s時(shí)，被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)器數(shù)值[NA]就是在接入被測(cè)電容后的頻率輸出值，即：

[fx=NA] （3）

因此，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中省去對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率[fc]的計(jì)數(shù)器，僅由計(jì)數(shù)器A就可以獲得方波頻率。TM4C123GH6PM將測(cè)得的頻率值代入推算公式即可得出被測(cè)電容值并顯示。

圖2 等精度測(cè)頻的工作波形圖

2 電容測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)模塊，分別為主函數(shù)和定時(shí)中斷函數(shù)。主函數(shù)主要進(jìn)行微控制器TM4C123GH6PM配置初始化、顯示控制初始化以及中斷初始化，計(jì)算被測(cè)信號(hào)頻率和電容容值。定時(shí)中斷函數(shù)則用于1 s定時(shí)。系統(tǒng)主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

主程序檢測(cè)到待測(cè)信號(hào)上升沿時(shí)，清零計(jì)數(shù)器，同時(shí)使能1 s定時(shí)中斷，即產(chǎn)生一個(gè)1 s的同步閘門信號(hào)，對(duì)MAX038輸出的已放大的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。閘門信號(hào)終止，計(jì)數(shù)結(jié)束，顯示方波信號(hào)頻率值，計(jì)算并顯示電容值。

3 最小二乘法分段擬合

為了提高測(cè)試儀的準(zhǔn)確度，將2檔待測(cè)電容分別采用最小二乘法[10]在Matlab上按照公式[C=af+b]擬合曲線。擬合公式參數(shù)及分段曲線如圖4所示。將擬合好的公式寫入TM4C123GH6PM，可按不同檔位測(cè)得電容值，并通過多次重復(fù)測(cè)量求平均值，以減小測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。采用準(zhǔn)確度高的LCR電表進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，以修正系統(tǒng)誤差。

圖4 利用最小二乘法分段擬合曲線

4 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

4.1 測(cè)試原理

用高準(zhǔn)確度等級(jí)的儀器和本測(cè)試儀對(duì)同一測(cè)試源進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，從而確定出該測(cè)試儀的測(cè)試等級(jí)。測(cè)試原理框圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試原理框圖

4.2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器選用TH2821A手持式LCR數(shù)字電橋，電容測(cè)試范圍：100 Hz，120 Hz：1 pF～9 999 μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF～999.9 μF；測(cè)試精度為0.3%。

4.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。從測(cè)量結(jié)果可以看出，在10 pF～1 μF的范圍內(nèi)，電容的最大引用誤差值出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)值為1.037 μF的點(diǎn)上，測(cè)試精度為0.87%，則本測(cè)試儀的測(cè)量準(zhǔn)確度為1級(jí)。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

基于MAX038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的電容測(cè)試，是將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的外接電容看作被測(cè)電容，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)輸出；依據(jù)外接電阻和測(cè)量頻率值計(jì)算出被測(cè)電容值。采用分檔最小二乘法擬合和比對(duì)修正方法，提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。測(cè)試結(jié)果表明，在10 pF～1 μF范圍內(nèi)，測(cè)試準(zhǔn)確度優(yōu)于1級(jí)。該測(cè)試儀具有快速、較準(zhǔn)確的測(cè)出電容值的特點(diǎn)，可作為一般的便攜式小電容測(cè)試儀使用。

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