一种微小电容测量仪的设计与实现

苏世熙，曾国强，喻明福，朱劲夫，罗 群

（成都理工大学 核技术与自动化工程学院，成都 610051）

目前对于小电容的测量比较常用的方式是使用数字万用表直接测量，但使用这种方法很难达到很高的精度，同时测量范围也很小，对于很多微小电容甚至根本无法测量。传统的高精度电容测量的方法有交流电桥式、充/放电式、交流锁相放大式等测量方法。对于交流电桥而言，因其本身没有平衡措施，调节起来较为繁琐，测量速度较慢。充/放电电容检测电路采用直流放大，存在较大漂移并且存在电荷注入的问题。交流锁相放大这种方法的测量性能最好，但是成本高昂且频率受到限制。

针对以上方案存在的局限性，本文提出了一种低成本、小体积、高精度、操作简便的微小电容测量仪设计。在设计中参考了文献[1]对于微小电容测量仪的设计方法，在此基础上设计并制作出了完整的切实可行的测量电路，并通过引入信号积分，提高A/D转换精度，减少寄生电容等一系列措施提高了测量精度，实际测量的数据表明，本测量仪达到了2%的测量精度。

1 系统总体设计

整个系统由主测量电路、信号积分电路、A/D转换电路、测量结果显示电路等几部分电路组成。MSP4305529单片机包含定时计数器、看门狗定时器、设计掉电检测、上电复位电路，主要用于控制ADC采集数据并作简单的前后比对处理，处理结果通过LCD液晶屏显示出测量结果。按键作为外部中断源用于对不同数量级电容测量量程的切换。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

2 测量方案设计

系统测量原理如图2所示，测量方法是将电容的容值转换成电压值来测量的。首先产生的1路方波激励信号，其频率在1.1 kHz～110 kHz之间（所产生信号的频率范围与待测电容的容值范围）[2]。该激励方波信号经过施密特触发器缓冲之后产生一个上升沿与下降沿更加陡峭、电流驱动能力更强的方波，通常可通过并联多个施密特触发器的方式提高电流驱动能力，从而可以提高对待测电容RC回路的激励效果。激励信号输入到2个时间常数不相同的RC延迟电路之后，输出2路上升时间不同，相位不同的准方波信号 （在经过RC延迟电路时稍有失真）。该2路准方波信号通过异或门，异或门的2个输入端由于2路准方波信号的上升时刻与上升时间不同从而触发的时刻不同，导致输出1路PWM波信号，该PWM信号的占空比显然与2路准方波信号的相位成线性关系。因此可通过对该PWM信号积分达到的直流电压信号获知2路准方波信号的相位差，而2路准方波信号的相位差则正比于2路RC回路的时间常数，当R相同时，也就是正比于2路RC回路的电容容值差。因此可通过测量PWM的积分直流电压信号而判断待测电容的大小。

图2 测量原理示意Fig.2 Diagram of measurement principle

3 硬件电路设计

本电容测量仪采用模块化设计方法，可有助于简化设计并提高调试效率和成功率。整个系统分成主测量、信号积分、模数转换和数据处理等几个电路部分。

3.1 电源电路设计

由于在本仪器电路中存在运算放大器、ADC芯片、单片机等元器件需要提供多个电源电压，为尽量提高电源的效率，精简电路结构，系统中大量采用开关式集成稳压器。

整个电源部分共提供3种电平，+5 V用于主测量电路的数字器件和ADC的电源；-5 V则是给ADC芯片的电源VDD；+3.3 V是MSP4305529单片机的电源。9 V电池选用的是叠层电池，该种电池质量轻便，非常适宜于使用在便携设备上[3]。

3.2 测量主电路设计

本仪器的测量主电路如图3所示。电路中，施密特触发器U1B与拨动开关、电阻、电容、电位器等共同组成了方波产生电路。选择开启不同的开关便可产生不同频率段的方波，从而可以测量不同量程范围的电容。后续几个施密特触发器被用于对方波的整形和提高电流驱动能力。由于由上一级电路产生的电路的波形不是很理想，其边沿变化比较缓慢，在分析小电容时灵敏度会下降，因此将该信号通过多个并联的施密特触发器，实现整形获得陡峭的边沿，同时也增大了电流驱动能力。整形后的方波信号输入到2个通道的RC电容构成的移相器；其中一路由可变电容与10 kΩ电阻组成，另一路由待测电容与10 kΩ电阻组成。

图3 主测量电路设计Fig.3 Main measurement circuit

由于在实际电路中有寄生电容的存在，可调电容在这里起平衡作用（因此在使用本仪器之前也需要调节可调电容平衡掉寄生电容，使输出电压为零，也称之为仪器调零）。当电路中接入待测电容时接入的电容与电阻组成RC电路具有相位延迟0°～90°作用（延迟大小根据电容的容值不同而不同）。这样，经过2路RC后，2路方波便产生了相位差，但是信号经过RC电路之后因为电容充电等原因，波形会变差，因此2路方波再经过触发器进行整形。整形之后分别输入到异或门的2个输入端。当2路信号同时为高电平或低电平时异或门输出低电平，当两路信号一路为高电平，一路为低电平时异或门输出高电平。由于2路方波存在相位差，信号通过异或门之后就形成了一路受相位差控制的PWM波[4]。产生的PWM波如图4所示。

图4 主测量电路输出波形Fig.4 Output waveform of main measurement

电路中2路RC电路中设平衡电容为C0，待测电容为Cx，电阻为R0，输入方波频率为f0。2条电路的电阻均为R0。电路中寄生电容与待测电容为并联关系。

平衡端的时间常数：

测量端的时间常数：

方波的傅里叶展开式：

相频特性函数：

对于第一路：

对于第二路：

式中ω=2π f0

输出两路波形相位差：

代入之后：

当仪器校零后输入的ω相同，Δφ只与待测电容Cx有关，并且函数在RCω∈（-1，1）范围内呈线性关系[5]。

图3电路中A点和B点产生的相位差，由异或门的输入与输出关系可知，当A和B一个为高电平另一个为低电平的时候，异或门输出高电平。所以在图中的C点输出的波形与A点与B点之间的相位差相关（当A点与B点存在相位差时C点输出为高电平）。最后这列受相位差控制的PWM波再经过几个异或门在“SIN”输出的波形如图4所示。

3.3 积分电路设计

电路的积分处理部分如图5所示，“SIN”为上级测量主电路产生的PWM波，为便于后续的测量，以及实现与后级电路的阻抗匹配，通过引入积分电路来提高输出阻抗。同时还能有效地减少电压因接入后续电路而引起的波动，提高了测量的精度。图中上级电路产生的PWM波从“SIN”输入，经由积分电路后信号倍积分产生积分波形从“SIN1”输出。

图5 积分电路设计Fig.5 Integral circuit

电路中C9为积分电容，将电阻R4与其并联可引进直流负反馈，能够有效地抑制失调电压与失调电流造成的漂移。由于电路中电容的漏电阻对积分电路的输出影响较大，为提高电路精度，此处应该选用漏电小，质量好的电容。C2，C3为电源去耦电容，为了尽可能地减少来自电源的扰动，在这里将2个一大一小的电容并联，其中对于容值较大的电容选择钽电容，小电容使用陶瓷电容。关于运放的选型，主要考虑到AD820的输出电压范围广，可单电源供电等特点，因此使用起来十分方便。积分电路对信号积分的效果如图6所示。

图6 积分波形Fig.6 Integral waveform

3.4 ADC电压采样设计

本设计选择ICL7135作为A/D转换芯片。图7为其时序图。在信号积分相开始时，ICL7135的BUSY信号变高并保持，直到去积分相结束时才跳回低电平。满量程情况下此区域中最多能有30002个脉冲。去积分相的脉冲个数反映了转换结果[6]。

图7 ICL7135时序图Fig.7 ICL7135 sequence diagram

3.5 电路抗干扰措施

对于测量电路，应妥善解决电源去耦的问题。注意模拟地与信号地、数字信号地要区分开来，防止电压串扰。所以应将几种电源的供电走线分开，与此同时还需要对电源本身进行处理，尽量减少来自电源的干扰信号。

在进行PCB布局时应将去耦电容尽量靠近芯片；各走线应尽量的短而直；注意加入0 Ω电阻将不同地分开；对于接地线应该尽量短不要发生串接的情况；在测量电容的接线柱处应尽可能减少寄生电容，因此在此处最好不要敷地。

4 测量数据分析与处理

4.1 各量程测试数据

在数据测试中采用聚炭脂薄膜电容，云母电容，CBB电容等高精度、高稳定度电容作为测试电容。选取不同容值范围的电容进行测量。使用超高精度电容测试仪对电容的容值进行测量时以测量得到的数据作为实际值。超高精度电容测试仪仪器型号为ZJ2618B，电容测试精度为0.05%。

4.2 测试数据说明

测试数据表1说明，除首个测量数据误差较大，3个数据的测量精度为5%，1个数据的测量数据4%之外其余数据的精度均为2%还有的甚至更高。电容值越大测量取得的精度越高。整体上本仪器对电容测量精度达到2%。取得了较高的测量精度。

表1 各量程测试数据Tab.1 The test data

5 结语

从整体来看，测量仪器达到了较高的测量精度。并且相较于其他精度较高的测量方法，测量仪采用测量电路相对简单，因此仪器具有可观的电路可靠性。在成本方面，测量仪均采用常用元器件，因此测量仪成本低廉，有利于广泛普及。同时仪器操作简单、使用方便、体积小巧、携带方便，在很多场合均能使用。

[1] JIM ROWE.Low-capacitance adaptor for DMMs[J].Everyday Practical Electronics，2013（7）：31-35.

[2] 王江燕，来新泉，傅启昌.一种频率可调振荡器的设计[J].电子科技，2007（4）：5-11.

[3] 户川明治.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2006.

[4] 阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 奥本海姆.信号与系统[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2006.

[6] 王丽华.A/D转换器ICL7135与单片机接口及C程序设计[J].科技广场，2012（1）：182-184.