精密電容測量儀的研究與設計

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院湖南株洲 412001）

電容測量是一項很基礎的研究工作，在日常的電路研究及實驗中，電容作為一個使用非常頻繁的電子元件，實際電路對電容的要求越來越精確，如果電容測量達不到一個很準確的水平，會直接影響到各項科技的提升和進步，因此研究電容測量技術具有非常重要的意義。當前隨著電子技術的發展，電容測量技術也呈多元發展，傳統的測量方法大都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數，精度不高，外觀不好，可靠性差。因此，高精密簡易測量儀的研究十分必要。

1 方案設計

根據前面的分析，本系統采用直流電源對電容器充電，電容器電壓隨著時間的增長而增加，在確定的電壓電流條件下通過充電時間長短就可得出電容量的大小。系統主要包括運用運算放大器電路、555信號發生器電路、計數器、數碼管顯示電路等。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2 單元電路設計

2.1 電容均勻充電電路

利用電容器能夠充放電這一特性，當充電電流恒定不變時，電容器上電壓充電時間的長短與電容器電容量成正比。電容量越大，充電時間越長，電容量越小，充電時間越短。根據公式：

制定電容充電電路。

此電路的關鍵是有一個對電容器充電的恒定電流電路。此電路中的開關S1、S2要求是同開同閉，所以在實物中采用的是組合開關，當開關斷開時，運放U1A的同向輸入端電位U3會等于反相輸入端的電位U2。

在測量前將開關閉合，使被測電容和地短路，可將被測電容里有的電荷釋放。電容器初始電壓為0，讓電路處于初始狀態電容待測量，使得555芯片處于停振狀態，也讓4024計數器處于復位狀態。

當開關斷開，電位在電源接入狀態下不斷升高（從1.596 V開始升高到小于3.37 V），使得比較器輸出高電平，當Q1飽和時輸出電平為低電平。當電路中的U2A輸出低電平，U2B輸出高電平，U2C輸出高電平時555開始振蕩，4024開始進入計數狀態。當電容器電荷充滿時，555停止振蕩，4024計數停止。所以電容器越大充電時間越長，計數脈沖數越多；相反，電容器越小充電時間越短，計數脈沖數越少。

所以，當開關斷開，電路處于預備狀態，電路待測量。當開關閉合，電路處于測量狀態，電路測量數據。

圖2 電容器均勻充電電路

2.2 NE555多諧振蕩電路

NE555構成的多諧振蕩器控制信號產生電路，如圖3所示。在初始狀態時Ur=0，振蕩器不工作，開始測量后Ur=1，振蕩器開始工作，當變化電壓達到3.37 V時，振蕩器又停止工作。設定振蕩器工作電壓在1.59～3.37 V中間。在工作電壓中間長產生的脈沖數與被測電容量大小成正比。

圖3 NE555構成多諧振蕩電路

根據公式

設定1 μF的充電時間為0.04為以脈沖產生的周期，及充電時間就為555產生脈沖周期。被測電容器電容量有多大555將產生多少個脈沖。555電路將測出脈沖數輸出到顯示電路。

2.3 顯示模塊設計

在測量期間，振蕩器所產生的脈沖個數可通過十進制計數器計數后由數碼管顯示出來，也可以通過二進制計數器計數后由發光二極管顯示，本設計采用的是二進制計數后LED顯示，如圖4所示。脈沖數通過二進制計數器4024計數再通過非門驅動發光二極管，再通過發光二極管顯示狀態確定大小，測量范圍在0～127 μF。

當電路在準備狀態時，Un=0，RST=1，計數器4024處于復位狀態不計數。4024輸出端Q7-Q1輸出為低電平經過非門反相輸出后為高電平，此時發光二極管不導通。

當電路處于測量狀態時，Un=1，RST=0，計數器4024處于工作狀態開始計數。4024輸出端根據不同的被測電容大小輸出相應的大小值。

圖4 結果顯示電路

在這個電路中Q7及D1為電路顯示最高位，Q1及D7為電路顯示最低位。計數器顯示讀數從Q7-Q1從高到低讀數。

3 系統調試與分析

在調試前需準備好調試所需直流穩壓電源、電源線、實驗板、被測電容器、電烙鐵、焊錫絲、鑷子、萬用表、示波器。系統的調試首先我們對整個電路的電源電路進行檢測，確認沒有短路斷路情況下再對電路的單元電路電壓進行測試，最后將顯示結果進行記錄。

3.1 電源電路檢測

目的：檢測電源電路是否有斷路、短路，看電路是否可以工作。

檢測方法：將萬用表打到蜂鳴檔再將黑表筆放置在電路板的地接線端，將紅表筆放置到每個單元電路或每個有GEN端口處，檢測VCC也是同方法。

檢測結果：電源電路正常，電路板電源線沒問題。

3.2 電容均勻充電電路檢測

目的：檢測電容是否能均勻充電，主要檢測電路經過LM358后電壓的變化。

檢測方法：將電路板接入5 V電源，放入待測量的電容器，將雙位開關按下時，電路處于待測量狀態，這時測量LM358的3號引腳電壓是否為1.59 V，將測量結果記錄。將電容器短路卸荷后，斷開開關，電路進入充電測量狀態，這時再用萬用表測量LM358的1號引腳輸出電壓值，電路在充電過程電壓值會在1.59～3.77 V之間，充電完畢電壓值不再變化。

檢測結果：電容均勻充電電路正常，電容器可完成充電，但電壓值有差距。

3.3 NE555多諧振蕩器控制信號產生電路檢測

目的：檢測電路是否可以正常產生脈沖信號，主要檢測NE555芯片是否工作正常。

檢測方法：電路有兩個狀態，當電路開關閉合時電路處于被測量狀態，這時振蕩器不工作沒有脈沖產生。當開關斷開時電路處于測量狀態，這時振蕩器開始工作產生脈沖，只到電壓值上升到3.77時NE555不再振蕩產生脈沖。

檢測結果：NE555振蕩控制信號產生電路能正常產生脈沖。

3.4 結果顯示電路檢測

目的：檢測電路是否能通過LED燈正常顯示測量結果。

檢測方法：根據電路狀態檢測CC4024能否正常復位、計數，將開關閉合時LED燈不會顯示開關斷開時LED燈根據脈沖數顯示結果。CD4069是否可以正常將輸入電平發生翻轉。

檢測結果：LED燈能正常顯示輸出電平。

4 試驗結果

根據前面的設計，選用3個特別常見的電容：100 μF、22 μF、47 μF 的電容進行測量，其測量結果如表1所示。

表1 電容測量表

5 結 論

本文在分析了當前電容測量儀設計所采用的方法以及各自優缺點的基礎上，使用5 V直流穩壓電源供電，設計了一款高精密簡易測量儀，通過電容器的均勻充電電路對待測電容充電，通過充電產生的充電時長，根據充電時長與電容量成正比的關系進行電容測量，方法簡單，讀數直觀，經過測量，精密度較高。

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