数字式电容测量仪

谢广伟

摘要：本文通过比较几个方案，选择把C转换成频率信号f，用单片机运算求出C值，并送显示。这种数字化处理便于仪表实现智能化。另外，为了提高频率测量的精确度以及扩展电容测量的范围，在单片机及555电路中加入一些控制电路。

关键词：电容 频率

中图分类号：TM934.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0167-01

1 前言

目前，测量电子元件的集中参数C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。

（1）能测量电器元件C的最典型的方法是电桥法。通过调节阻抗使电桥平衡，用这种测量方法调节电阻值一般只能手动，电桥平衡的判决亦难于用简单的电路来实现。（2）Q表是用谐振法来测量C值，它可以在工作频率上进行测量。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器的要求较高，调节和平衡判别很难实现智能化。（3）用阻抗法测C有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，测元件的电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，适用测量范围都较窄。（4）很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路，我们把电子元件的集中参数C转换成频率信号f，转换的原理是RC振荡，然后用单片机计数后再运算求出C值。[1]通过比较选用第四种方案。

2 设计思路及原理框图

本电路是针对不同的待测电容和NE555组成多谐振荡电路，产生不同的频率信号。由单片机初测频率量，然后判断电容的取值范围，向继电器发出信号，选择RC振荡电路的R值，使多谐振荡电路工作于合适的频率范围。再由单片机89C51计算频率，由于频率与不同的电容有线性关系，最后由液晶模块1602A显示出来。

3 电路各部分解析

3.1 多谐振荡器的电路分析

多谐振荡器电路部分，在待测电容（Cx）10p-10u的范围内，为使振荡频率保持在10～100kHz需选择合适的R的参数值。为了扩充其测量范围，可用单片机通过继电器作转换控制。自动转换原理：单片机在第一次频率的测量中发现频率过大（或过小），通过继电器转换切换档位，再测频率。

刚通电的时候，由于电容Cx上的电压不能突变，那二脚电位的起始电平为地电平，使NE555置位，3脚输出呈高电平，Cx通过R1、R2或R3、R4对其充电，电容Cx的充电时间为：T1=（R1+R2）*Cx*In2。

当电容Cx上的电压冲到阀值电平2/3Vcc时，555复位，3脚输出转呈低电平，此时Cx通过R2放电，放电时间为：T2=R2*Cx*In2

电路的振荡周期为：T=（T1+T2）=（R1+2R2）*Cx*In2[2]

当R1=R2时，振荡频率为：f=1/T=1/3R1*Cx*In2

理论上， Cx=1/3R1*f*In2

3.2 单片机带同步控制的频率测量[3]

单片机对频率量的测量有两种方法：测频率法和测周期法，在这里选用测量频率法。测量频率法的可将频率脉冲连接到单片机的T1端，可将80C51的T/C0用作定时器，T/C1用作计数器。在T/C0定时时间内，对频率脉冲进行计数。T/C1的计数值便是单位时间内的脉冲个数。

在定时计数的时候，由于单位时间的起始时刻与结束时刻对信号是随机的。因此，会出现如图1所示的丢失脉冲个数的情况。第一个丢失的脉冲，是由于开始检测的时候，定时开始时刻与输入脉冲上升沿时刻不一致，正脉冲宽度已小于机器周期T；第二个丢失的脉冲是由于脉冲的负跳变在定时之外，出现脉冲丢失，引起测量精度的降低。频率脉冲越低，这种误差将越大。

为了解决第一个脉冲的丢失，可用门电路实现计数的开始与脉冲上升沿的同步控制。用80C51的T/C0用作定时器，T/C1用作计数器。对频率的脉冲用带同步控制的频率测量法的接口电路。

工作时，首先由P15发一个清零正脉冲，使两个D触发器复位，其输出封锁与门。接着由P14发一个启动正脉冲，其有效上升沿使ICD：B触发器Q端输出为“1”，同时开放IC&：B与门。之后，被测脉冲上升沿通过ICD：A触发器，使其输出为“1”，同时开放IC&：A与门，送T1计数。同时，ICD：A触发器输出的高电平使INT0=1；定时器0的门控GATE有效。启动T/C0定时器开始定时。直到定时结束，从P15发一个清零正脉冲，封锁两个D触发器，从而停止T/C1计数，完成一次频率采样的过程。

在测量过程中，定时器T/C0定时时间为500ms，先由T/C0定时50ms，之后，软件10次中断后的时间即为50*10=500ms。T/C0定时时间50ms的计数初值为03B0H。计数器1采用16位计数。设T/C0为高优先级，允许计数中断过程中定时中断，即定时时间到就中止计数。

4 测量报告（表1）

5 结语

本仪表具有功能强，性能可靠，体积小，电路简单的特点。通过继电器作量程转换，又具有智能化特点。但设计的这种把元件参数转换为频率后测量的方法也有不足之处，仍然需要作进一步的研究和讨论。下面是几点改进的意见：第一，单片机在带同步控制的频率测量中，如果电路再改进一下就可以消除关门的误差。第二，如果要测量范围增大，可加入一些分频电路。第三，由于软件无论高频低频都只是采用测频的方法，如果在低频采用测周，高频用测频，那么可以使测量更加准确。

参考文献

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京：北京理工大学出版社.2003：89-90.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社.2001：353-355.

[3]马忠梅，籍顺心，张凯等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社.2003：229-231.endprint