印刷電路板上的電容測量裝置設(shè)計

郭平

（長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北荊州，434020）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的大量使用，人們的生活是越來越方便，但有的電子產(chǎn)品在使用中會失效，這些失效的電子產(chǎn)品進(jìn)行維修，會節(jié)約人們的生活成本。電子產(chǎn)品中的印制電路板是必不可少的部件，由于大容量的電容不能被集成到集成電路中，電容作為通用電子元器件，將會長期存在于電子產(chǎn)品的印制電路板上，如果懷疑電容壞了，當(dāng)下的做法是將該電容焊下來，再用儀表進(jìn)行測試，很有可能是誤判，費工費力。為了能測量印制電路板上的電容容量，而設(shè)計了該裝置。

1 印制電路板上電容的測量裝置實現(xiàn)方案

■1.1 系統(tǒng) 整體方案圖

核心控制器采用江蘇國新科技的STC12C5A60S2，該芯片自帶10位的A/D。將被測電容接入該裝置后，電容兩端被繼電器的常閉觸點短路，電容上儲存的電壓清零，啟動按鍵按下后，控制器檢測到啟動鍵按下，控制繼電器線圈得電，常閉觸點短路開路，微控制器量啟動100mV直流電壓源，送給5個電阻，5個電阻與五選一（公共端）模擬開關(guān)相連，微控制器控制模擬開關(guān)，模擬開關(guān)公共端接待測電容，同時接跟隨器，跟隨器輸出經(jīng)放大器放大后，送給比較器和微控制器的A/D輸入口，比較器輸出，送給微控制器的外部中斷輸入口。測量數(shù)據(jù)送給數(shù)碼管進(jìn)行顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

■1.2 電壓源電路設(shè)計

電壓源電路原理框圖如圖2所示，U1為TI公司的運算放大器OPA2695，帶寬為850MHz，輸出電阻可低至10Ω。該電路為反相比例運算放大電路，放大倍數(shù)為-0.02。當(dāng)單片機(jī)P1.0端口輸出低電平時，電位接近為0，A點輸出電位為0；當(dāng)單片機(jī)P1.0端口輸出高電平時，電位接近為5V，A點輸出電位為5V×（-0.02）=-100mV。

圖2 電壓源電路圖

■1.3 電阻及五選一電路設(shè)計

電阻及五選一電路圖如圖3所示。印制電路板上的電容容量相差較大，小的電容為10pF,大的電容4700μF,共有5個數(shù)量級。電阻選用200k，20k，2k，200Ω，20Ω共5檔。因為印制板有漏電流，運放的輸入電阻不可能為無窮大，所以電阻不能選用太大。

圖3 電阻及五選一電路圖

模擬開關(guān)選用CD4052和TS12A12511，CD4052為兩組四選一模擬開關(guān)，導(dǎo)通電阻為125Ω；TS12A12511為TI公司芯片，導(dǎo)通電阻為5Ω。當(dāng)微控制器通過P1.3腳送出高電平時U2截止，U3的COM腳和NO腳接通，此時選中的電阻檔位為20Ω；當(dāng)微控制器通過P1.3腳送出低電平時，當(dāng)微控制器通過P1.1、P1.2腳控制U2的A、B腳可以選中其他四個通道；當(dāng)選中200Ω通道時，為了減少U2導(dǎo)通電阻的影響，而采用了兩路模擬開關(guān)并聯(lián)。

■1.4 待測電容及跟隨器電路

待測電容及跟隨器電路如圖4所示。CX為待測電容；跟隨器由運放構(gòu)成，輸入電阻為無窮大，可以避免信號測量電路對RC充電電路的影響。

圖4 待測電容及跟隨器電路圖

■1.5 放大器電路

放大器電路圖如圖5所示，C端信號為0～-100mV,放大器的放大倍數(shù)為-41，所以D端的信號輸出為0～4.1V。D端的信號送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D及比較器電路。

圖5 放大器電路圖

■1.6 比較器器電路

圖6 比較器電路圖

VCC為5V直流電壓源，當(dāng)D點的電壓高于 5×（10÷15.1）≈3.31V時，比較器輸出高電位，驅(qū)動三級管，三極管導(dǎo)通，E點接微控制器的中斷輸入口，將微控制器的中斷輸入口設(shè)置成上拉方式，當(dāng)三極管導(dǎo)通時，E點產(chǎn)生下降沿，讓單片機(jī)產(chǎn)生中斷，而測量出RC電路從0電位充電到該電位的時間。

2 印制板上電容測量裝置的理論計算

■2.1 被測電容模型

與印制板上的電容相連接的器件有半導(dǎo)體，集成電路（由半導(dǎo)體、電阻、電容組成），電阻等元件。由于測量電壓較低，半導(dǎo)體工作在開路狀態(tài)，所以被測電容的模型可等效為電阻與電容的并聯(lián)。

■2.2 測量電路原理示意圖

圖7 測量電路原理示意圖

如圖7所示：US為100mV的直流電壓源，S為開關(guān)，R為已知電阻，RX為被測電阻，C為待測電容。由一階電路零狀態(tài)響應(yīng)可知，

其中UC(t)為開關(guān)S閉合后，電容C上的電壓隨時間t變化的函數(shù)表達(dá)式，UC(∞)為t=∞時電容上的電壓值，可用A/D測量出來；當(dāng)UC(t)電壓經(jīng)放大器放大后等于3.3V時，比較器電平發(fā)生變化，會產(chǎn)生中斷，此時到開關(guān)閉合時的時間差也能測出來t1。由圖7所知：

RX可由上式求出來，

由公式（4）可計算出τ，再由公式（3）計算出C。

3 結(jié)束語

印制電路板上的電路種類繁多，也遇到過該儀器不能測量的電容。如大電容和小電容的并聯(lián)，只能測量出并聯(lián)后的電容值；電容和電阻串聯(lián)后再與一個電容并聯(lián)；電容和電感并聯(lián)。但不能測量的電容的情況在印制電路板上占的比例很小。下面講一個維修筆記本電腦主板的過程。聯(lián)想B460電腦不能開機(jī)，查3.3V電源和5V電源電壓為零，斷電檢查芯片外接電容，當(dāng)查到電容C490時，電容量為零，看圖紙，電容型號 為 SCD1U25V， 是1UF電容，后檢查電容C491容量，測量值為 983(98×103pF，圖紙 上 C490和 C491是相同的，后焊上0.1μF/25V電容，電腦能正常開機(jī)。圖8為裝置在工作中，裝置上顯示測量數(shù)據(jù)為783，被測量印制電路板為一單片機(jī)最小系統(tǒng)。

* [1]高玉良. 電路與模擬電子技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社,2004

* [2]邱桂蘋，于小洋，陳德運.微小電容測量電路[J].黑龍江電力,2006

* [3]美國德州儀器（TI）. Dual, Ultra—Wideband, Current—Feedback OPERATIONAL AMPLIFIER with Disabledata sheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2695.pdf