數字式電容測量儀

謝廣偉

摘要：本文通過比較幾個方案，選擇把C轉換成頻率信號f，用單片機運算求出C值，并送顯示。這種數字化處理便于儀表實現智能化。另外，為了提高頻率測量的精確度以及擴展電容測量的范圍，在單片機及555電路中加入一些控制電路。

關鍵詞：電容 頻率

中圖分類號：TM934.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0167-01

1 前言

目前，測量電子元件的集中參數C的儀表種類較多，方法也各不相同，這些方法都有其優缺點。

（1）能測量電器元件C的最典型的方法是電橋法。通過調節阻抗使電橋平衡，用這種測量方法調節電阻值一般只能手動，電橋平衡的判決亦難于用簡單的電路來實現。（2）Q表是用諧振法來測量C值，它可以在工作頻率上進行測量。但是，這種測量方法要求頻率連續可調，直至諧振。因此它對振蕩器的要求較高，調節和平衡判別很難實現智能化。（3）用阻抗法測C有兩種實現方法：用恒流源供電，然后測元件電壓；用恒壓源供電，測元件的電流。由于很難實現理想的恒流源和恒壓源，適用測量范圍都較窄。（4）很多儀表都是把較難測量的物理量轉變成精度較高且較容易測量的物理量。基于此思路，我們把電子元件的集中參數C轉換成頻率信號f，轉換的原理是RC振蕩，然后用單片機計數后再運算求出C值。[1]通過比較選用第四種方案。

2 設計思路及原理框圖

本電路是針對不同的待測電容和NE555組成多諧振蕩電路，產生不同的頻率信號。由單片機初測頻率量，然后判斷電容的取值范圍，向繼電器發出信號，選擇RC振蕩電路的R值，使多諧振蕩電路工作于合適的頻率范圍。再由單片機89C51計算頻率，由于頻率與不同的電容有線性關系，最后由液晶模塊1602A顯示出來。

3 電路各部分解析

3.1 多諧振蕩器的電路分析

多諧振蕩器電路部分，在待測電容（Cx）10p-10u的范圍內，為使振蕩頻率保持在10～100kHz需選擇合適的R的參數值。為了擴充其測量范圍，可用單片機通過繼電器作轉換控制。自動轉換原理：單片機在第一次頻率的測量中發現頻率過大（或過小），通過繼電器轉換切換檔位，再測頻率。

剛通電的時候，由于電容Cx上的電壓不能突變，那二腳電位的起始電平為地電平，使NE555置位，3腳輸出呈高電平，Cx通過R1、R2或R3、R4對其充電，電容Cx的充電時間為：T1=（R1+R2）*Cx*In2。

當電容Cx上的電壓沖到閥值電平2/3Vcc時，555復位，3腳輸出轉呈低電平，此時Cx通過R2放電，放電時間為：T2=R2*Cx*In2

電路的振蕩周期為：T=（T1+T2）=（R1+2R2）*Cx*In2[2]

當R1=R2時，振蕩頻率為：f=1/T=1/3R1*Cx*In2

理論上， Cx=1/3R1*f*In2

3.2 單片機帶同步控制的頻率測量[3]

單片機對頻率量的測量有兩種方法：測頻率法和測周期法，在這里選用測量頻率法。測量頻率法的可將頻率脈沖連接到單片機的T1端，可將80C51的T/C0用作定時器，T/C1用作計數器。在T/C0定時時間內，對頻率脈沖進行計數。T/C1的計數值便是單位時間內的脈沖個數。

在定時計數的時候，由于單位時間的起始時刻與結束時刻對信號是隨機的。因此，會出現如圖1所示的丟失脈沖個數的情況。第一個丟失的脈沖，是由于開始檢測的時候，定時開始時刻與輸入脈沖上升沿時刻不一致，正脈沖寬度已小于機器周期T；第二個丟失的脈沖是由于脈沖的負跳變在定時之外，出現脈沖丟失，引起測量精度的降低。頻率脈沖越低，這種誤差將越大。

為了解決第一個脈沖的丟失，可用門電路實現計數的開始與脈沖上升沿的同步控制。用80C51的T/C0用作定時器，T/C1用作計數器。對頻率的脈沖用帶同步控制的頻率測量法的接口電路。

工作時，首先由P15發一個清零正脈沖，使兩個D觸發器復位，其輸出封鎖與門。接著由P14發一個啟動正脈沖，其有效上升沿使ICD：B觸發器Q端輸出為“1”，同時開放IC&：B與門。之后，被測脈沖上升沿通過ICD：A觸發器，使其輸出為“1”，同時開放IC&：A與門，送T1計數。同時，ICD：A觸發器輸出的高電平使INT0=1；定時器0的門控GATE有效。啟動T/C0定時器開始定時。直到定時結束，從P15發一個清零正脈沖，封鎖兩個D觸發器，從而停止T/C1計數，完成一次頻率采樣的過程。

在測量過程中，定時器T/C0定時時間為500ms，先由T/C0定時50ms，之后，軟件10次中斷后的時間即為50*10=500ms。T/C0定時時間50ms的計數初值為03B0H。計數器1采用16位計數。設T/C0為高優先級，允許計數中斷過程中定時中斷，即定時時間到就中止計數。

4 測量報告（表1）

5 結語

本儀表具有功能強，性能可靠，體積小，電路簡單的特點。通過繼電器作量程轉換，又具有智能化特點。但設計的這種把元件參數轉換為頻率后測量的方法也有不足之處，仍然需要作進一步的研究和討論。下面是幾點改進的意見：第一，單片機在帶同步控制的頻率測量中，如果電路再改進一下就可以消除關門的誤差。第二，如果要測量范圍增大，可加入一些分頻電路。第三，由于軟件無論高頻低頻都只是采用測頻的方法，如果在低頻采用測周，高頻用測頻，那么可以使測量更加準確。

參考文獻

[1]全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品精選[M].北京：北京理工大學出版社.2003：89-90.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社.2001：353-355.

[3]馬忠梅，籍順心，張凱等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社.2003：229-231.endprint