一种电容测量单元电路及其实现原理

王 深 福州大学物理与信息工程学院；福建理工学校

一种电容测量单元电路及其实现原理

王 深 福州大学物理与信息工程学院；福建理工学校

电容测量；单片机

在电子电路的设计与制作中，通常都要用到电容元件。这些电容元件的种类各异，容量不一，而其容量的大小对电路性能则有着重要的影响。在现阶段，对电容容量进行测量的方法主要有电桥平衡法、谐振频率测量法和脉冲宽度测量法等［1］。电桥式电容测量仪虽然精度较高，但是其较大的体积和重量不便于日常携带，且操作较繁琐。本文提出了一种基于单片机控制的电容测量单元电路，可实现对数十皮法到上千微法范围电容容量的精确测量。

1.硬件电路设计与元器件参数

1.1 电容测量单元电路

本方案的电容测量单元电路设计如图1所示。

图1 电容测量单元电路

电阻R4（或R5）与被测电容组成RC充电电路，被测电容与三极管VT2的C、 E极组成电容放电电路。单片机引脚（P2.6）控制三极管VT1的导通或截止从而控制继电器实现R4、 R5之间的接入切换。 P3.3用于控制三极管VT2的导通或截止从而控制电容放电电路的接通或断开。调节电位器RP1，使电压比较器IC2的3脚电位保持在3.16V，当IC2的2脚电位高于3.16V时，其1脚（接P3.0）输出低电平'0'，从而实现对电容充电到目标电压的实时监测。

1.2 元器件参数

电容测量单元电路的各元器件参数如表1所示。

表1 元器件参数

2.电容测量的实现原理

本设计基于单片机控制实现对电容容量的测量，具体操作步骤及测量原理说明如下：

⑴在CJ3的两端接入被测电容器Cx；

⑵若是小容量电容（Cx＜10μF），则选择R5与Cx组成RC充电电路；若是大容量电容（Cx≥10μF），则选择R4与Cx组成RC充电电路；

⑶当单片机检测到P3.0引脚的低电平'0'信号后，立即关闭定时器并记录充电时间，然后接通电容放电电路（P3.3=1），保持约1秒，保证被测电容放电完毕（两端电压为0V）；放电完成后，断开电容放电电路（P3.3=0），工作电压5V开始经由R4或R5对被测电容进行充电，同时启动单片机定时器重新开始计时；

⑸数据处理，换算得到被测电容的对应容量并送数码管或液晶屏显示；

⑹循环⑶～⑸的过程，对被测电容器的容量进行反复测量并送显示。

3.数据处理算法

根据被测电容器容量与充电时间之间的关系，在本设计中，采用特定的数据处理算法以得到有效的电容器容量结果，具体说明如表2所示。

表2 电容器容量的换算方法

其中，对于小电容测量，定时器时基设为20μS，对于大电容测量，定时器时基则设为200μS， cnt是定时器的重复次数。

4.结束语

本文针对专用电容测量仪价格昂贵、操作不便的不足，提出了一种基于单片机控制的电容测量单元电路，其具有工作稳定、测量精度高、体积小、制作成本低的特点，能够满足日常电子产品装配与调试中对电容容量测量的使用需求。

王深，性别：男，福建省福州市人，1985年出生，学历：本科，职称：福建理工学校机电专业助理讲师，研究方向：电子技术应用。

本文阐述了一种基于单片机控制的电容测量单元电路的设计实现方案，详细介绍了硬件电路、元器件参数以及电容容量测量的步骤和原理。

［1］ 张玉芹，洪远泉.数字式电容测量仪设计［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2011（3）：52-54.