便攜式微小電容測試儀的設(shè)計(jì)

段文浩，馬 鑫，耿衛(wèi)國

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

0 引言

在測量液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)貯箱中液位計(jì)的電容值時(shí)需要用臺(tái)式電容變換儀，該儀器體積大并且需要接220 V交流電源，使用該儀器到貯箱頂部進(jìn)行測量極為不便。另外，該儀器所測數(shù)據(jù)不能快速讀出，需要一段時(shí)間待其結(jié)果穩(wěn)定后才能讀數(shù)，使得現(xiàn)場的測試工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。現(xiàn)有美國制造的手持式電容測試表，但不具有三端測量功能，所測結(jié)果不準(zhǔn)確[1]，不能滿足現(xiàn)場測試需要。為此需要設(shè)計(jì)一種具有快速、精確、便攜和低成本特點(diǎn)的便攜式電容測試儀，作為現(xiàn)場維修調(diào)試專用測試設(shè)備。

根據(jù)液位計(jì)電容值測量的需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了手持式電容測試儀，該電容測試儀采用已有的三端法測量(第三端為屏蔽防護(hù)端)，可以消除由導(dǎo)線引入的分布電容，其電容檢測電路充分考慮電容傳感器的引線電容、電路設(shè)計(jì)的寄生電容以及環(huán)境變化等影響因素，并輔以MSP430單片機(jī)的數(shù)字化修正，克服了小電容測量中寄生電容及環(huán)境對(duì)電容傳感器的干擾，實(shí)現(xiàn)了pF級(jí)微小電容的測量。

1 電容檢測原理

常見的電容測量電路有：充/放電電容測量電路、AC電橋電容測量電路、比例運(yùn)放式電容測量電路、基于V/T變換的電容測量電路、基于電荷放大原理的電容測量電路以及一些專用集成電路電容測量芯片，如CAV424等。相比較而言，比例運(yùn)放式電容測量電路是目前實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最好的檢測電路，這種電路的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、抗雜散性好、分辨率高，由于采用交流放大器，所以具有低漂移、高信噪比特點(diǎn)，但電路較復(fù)雜，成本高。

采用比例運(yùn)放式測電容法進(jìn)行電容-電壓轉(zhuǎn)換能夠較為理想地消除長線分布電容的影響[2-5]。比例運(yùn)放式測電容的原理示意圖如圖1所示。

US—正弦波信號(hào)源電壓有效值；U1—運(yùn)算放大器；U0—輸出信號(hào)電壓有效值；C0—長線分布電容；A—屏蔽層；C1—待測電容；C2—標(biāo)準(zhǔn)電容。圖1 比例運(yùn)放式測電容的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of proportional operational amplifier test capacitance

如圖1所示，在正弦波信號(hào)源內(nèi)阻很小，U1輸入阻抗很高且輸出阻抗很小時(shí)，C0兩端的電位相等，也就是說，通過將傳輸電纜的屏蔽層與儀器的地電位信號(hào)相連接，這種接線法使傳輸電纜的芯線與屏蔽層等電位，消除了芯線對(duì)屏蔽層的容性漏電，從而去除了分布電容的影響。圖2是電容檢測電路的原理框圖[6]。

圖 2 電容檢測電路的原理框圖Fig.2 Block diagram of the capacitance detection circuit

圖2 中電容-電壓變換電路仍采用圖1所示的比例運(yùn)放電路，以消除長線影響。此時(shí)，左側(cè)極板為激勵(lì)電極；右側(cè)極板為檢測電極。對(duì)電路進(jìn)行分析可知：

(1)

(2)

由于US,C2已知，因此可根據(jù)測得的U0計(jì)算出C1。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的測試儀表分為三個(gè)模塊：電容檢測模擬電路模塊、微處理器數(shù)字電路模塊和電源模塊。待測傳感器的電容值先經(jīng)過電容檢測電路，在模擬電路中對(duì)此信號(hào)進(jìn)行C-V變換、精密檢波、濾波等處理后輸出直流電壓信號(hào)，然后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理，最后由單片機(jī)控制液晶顯示器顯示電容值。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 便攜式微小電容測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System block diagram of portable miniature capacitance tester

2.1 電容檢測電路

電容檢測電路中的放大器均選用OPA277[7-8],放大電路的增益通過設(shè)計(jì)的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，接待測電容的一端接文氏振蕩電路，另一端依次為C-V變換、絕對(duì)值檢波、濾波、有效值校正電路,相比使用DDS器件產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，該檢測電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、幅度穩(wěn)定及調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)[9]。電路中多處使用電位器的目的是為了進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，特別是文氏振蕩電路中，若使用固定阻值的電阻取代電位器，由于電阻阻值的精度問題，很難保證兩個(gè)電阻的阻值完全相同，會(huì)使起振波形失真。設(shè)計(jì)的電容檢測電路能夠測量10～9 999 pF范圍內(nèi)的微小電容，精度可達(dá)1 pF。電容檢測電路為模擬電路，設(shè)計(jì)時(shí)模擬地要與數(shù)字地分開，最后通過一個(gè)0 Ω的電阻連接。

2.2 數(shù)字電路部分

數(shù)字電路部分的核心是微處理器，選用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入型微處理器MSP430，該系列微處理器是一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，其工作電壓可低至1.8 V，在待機(jī)模式下的功耗僅為1.1 μA，非常適用于便攜式儀表[10-11]。設(shè)計(jì)中綜合考慮是否具有FLASH存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換功能等因素，選擇MSP430F449作為系統(tǒng)的控制單元，其內(nèi)部自帶12位的A/D轉(zhuǎn)換器，擁有60KB+256B的Flash Memory。顯示模塊選用全點(diǎn)陣液晶顯示器LCD12864，可通過字模提取軟件顯示漢字。

2.3 電源系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)需要+15 V，-15 V以及+3.3 V的電源來分別給模擬電路(電容檢測電路)和數(shù)字電路(MSP430F449、LCD12864、外部存儲(chǔ)器)供電，可以使用一節(jié)9 V電池作為系統(tǒng)的電源，9 V電壓經(jīng)過LM317穩(wěn)壓芯片得到5 V，再分別經(jīng)過A0515S-3W和AMS1117-3.3得到±15 V和3.3 V的電壓，其輸入輸出框圖如圖4所示。另外本設(shè)計(jì)還配備了Micro-USB接口，可外接充電寶為系統(tǒng)供電。由于模擬電路功耗較大，需選用A0515S電源模塊的3 W型號(hào)才能保證該模塊不會(huì)出現(xiàn)過熱的情況。

圖4 電源輸入輸出框圖Fig.4 Power input and output block diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)環(huán)境使用IAR公司的Embedded Workbench IDE，系統(tǒng)中單片機(jī)的任務(wù)是掃描按鍵，然后根據(jù)掃描結(jié)果控制A/D采集電容檢測電路輸出的電壓值，再將該電壓值換算成對(duì)應(yīng)的電容值，最后控制液晶顯示器顯示該電容值。所設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)能滿足硬件方面提出的要求，根據(jù)前面的任務(wù)要求，軟件設(shè)計(jì)包含以下幾項(xiàng)工作：

1)初始化。包括各輸入輸出端口的初始化、所需變量的定義以及設(shè)置寄存器的初始值；

2)按鍵掃描子程序。即用ADC的一個(gè)通道識(shí)別按鍵的不同狀態(tài)，然后設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志；

3)測量子程序。啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，在ADC中斷向量中對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，計(jì)算32次轉(zhuǎn)換結(jié)果的算數(shù)平均值并保存；

4)顯示子程序。將電容值通過LCD12864顯示出來，根據(jù)校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算實(shí)際電容值，然后按位提取并逐一顯示成4位數(shù)字，最大可顯示9 999 pF。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試包括硬件電路調(diào)試和軟件功能調(diào)試。先進(jìn)行硬件電路的調(diào)試再進(jìn)行微處理器軟件功能的調(diào)試。硬件電路調(diào)試主要是調(diào)試電容檢測電路輸出所需的電壓值，基本調(diào)試方法是通過外接標(biāo)準(zhǔn)電容，使其輸出電壓1 mV對(duì)應(yīng)1 pF；軟件功能調(diào)試包括三方面：測試系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的輸入、輸出、實(shí)時(shí)顯示；對(duì)測量數(shù)據(jù)濾波、計(jì)算電壓值、數(shù)據(jù)線性修正等進(jìn)行處理。

5 測量結(jié)果

用所設(shè)計(jì)的測量儀對(duì)1 000～6 000 pF范圍的6個(gè)電容進(jìn)行抽查檢測。在基準(zhǔn)電容C2=5 000 pF時(shí), 測得輸出電壓與電容量的對(duì)應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 輸出電壓與電容量的對(duì)應(yīng)曲線圖Fig.6 Output voltage and capacitance curve

實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)回歸分析, 判定系數(shù)R2為0.996 8(R為相關(guān)系數(shù)), 趨勢(shì)線估計(jì)值與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合程度較好。

為了確定測量的準(zhǔn)確度以及三端測量法測量帶長線纜的電容式傳感器的實(shí)際效果，用1 000～6 000 pF范圍的6個(gè)標(biāo)稱電容進(jìn)行抽檢,具體方法為用美國Andeen Hagerling公司生產(chǎn)的高精度電容電橋AH2500A測量標(biāo)稱電容，然后用手持式測試儀測量連接長線纜的標(biāo)稱電容，兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示 。

表1 電容測量結(jié)果對(duì)比

從表1中可見，在1 000～6 000 pF范圍內(nèi)的6個(gè)標(biāo)稱電容，測試儀的測量誤差不超過1%。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的手持式電容測試儀，以現(xiàn)有的電容傳感器檢測電路的成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，配以MSP430單片機(jī)作為測量儀器的主控制器，設(shè)計(jì)出具有12位分辨率、LCD顯示且具有三端測量功能的測量系統(tǒng)，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了測量過程的智能化。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，通過采用微處理器進(jìn)行數(shù)字化修正處理可以進(jìn)一步提高電容測試儀的測量精度，該儀器不僅可測量10～9 999 pF 范圍內(nèi)的微小電容，還可用于測量帶有傳輸線纜的電容式傳感器，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)貯箱內(nèi)電容式液位計(jì)的測量。另外，根據(jù)調(diào)研市面上的手持式電容測試儀都是用兩端法測量，而本裝置采用的是三端測量法，因此具有更高的測量精度和準(zhǔn)確度。