一种高精度绝缘材料厚度测量电路的设计

毛奎章 郭海燕

摘要：本论文探讨了一种应用于绝缘材料厚度测量的高精度、低成本系统。本次设计首先将被测物体的厚度设计为电容电极距，并通过电路转化频率值，在经过AD采样电路后，信号输入FPGA进行处理。FPGA以其硬件的并行特点，快速实现系统自校准、实时测量、数据显示等功能。通过系统整体测试可以看到，本系统完成了微米级厚度的精确测量，可推广应用到相关的生产环节中。

关键词：电容-频率转化;高精度测量;FPGA

中图分类号：TG333.1  文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）10-0000-00

绝缘材料，如纸张，塑料薄膜的生产，验收过程中，对其厚度有明确的要求，比如在GB/T30768-2014，明确要求包装纸、塑料复合膜、袋的厚度误差在±10%;在食品包装袋的定制中，顾客也会对袋的厚度提出明确要求。本设计讨论一种高精度、高性价比的厚度测量电路，以期获得绝缘材料厚度的快速、准确的测试方法。

为了实验的统一、便利，本次设计拟采用70克打印纸为测试目标，通过对其纸张数目的正确测试，获得其厚度数据。

1 系统方案设计

因为电容值：                                                （1）

式（1）中：--介质介电常数，S--两极板正对面积，--静电力常量， --两极板间垂直距离。

电容的制作：在制作固定面积的两个金属极板和相应的固定夹具后，把待测的绝缘材料置于极板之间，其厚度决定着电容值的一一对应，正确测得电容值，即可获得厚度数据。

测试方案分析：

方案一：电容与信号源，功率电阻串联构成电路，通过测试功率电阻上的电压，利用在校准阶段建立的“电压-纸张数”查找表，获得纸张数量。本方案经过搭建、测试，发现电压受到噪声的干扰比较大，并且降低干扰的方法成本偏高，本方案不宜采用。

方案二：将变化的电容转换为变化的频率进行测试。本方案由模拟电路，数字电路两个部分组成，其中，模拟电路实现电容值到频率值的转化，将频率信号通过AD转换后，送数字电路实现频率测量。因为模拟电路可以选用常见的555时基电路进行搭建，成本较低，精度也符合要求，对AD转换电路的参数要求不高，成本可控，数字部分采用FPGA芯片实现，FPGA具有硬件电路的并行特点，系统集成度高，其本身性价比较高，可以使系统更加高速，体积小，便于安装，适合于生产线的使用。据此，本设计采用方案二。

2 硬件电路设计

以555时基电路为核心芯片，外加电阻和电容构成多谐振电路，输出方波信号，其频率大小由R和C决定[1]。由此，本待测电容接入芯片的2、6引脚，接通电源后，电容的充放电使芯片的输出端产生一定频率的方波。其振荡频率、占空比D的计算公式分别为（2）、（3）：

（2）

（3）

根據所测试的频率范围，占空比的要求，选定R1，R2的值，分别为47KΩ，100KΩ，占空比为40%。由上述公式计算得到，放入1张纸的时候，电容C=6.9141F，随着纸张数的增加，被测电容C的容值将随距离增加而逐渐减小，如果以测量30张纸为测试最大值，此时电容C=0.2305F，由于被测电容值过小，为了提高系统信噪比，需要增加参与谐振的电容值，考虑并联一个10pF的电容。

电路图如图1所示。

为了减少电源纹波对测试的干扰，在电源端，并联接入了电解电容10uF、瓷片电容0.1uF，达到去耦目的。

为了减少干扰，降低成本，设计制作单面PCB，如图2所示。

被测电容极板也用单面PCB实现。

3 AD模块设计

此次使用的AD采样模块，其核心芯片是AD公司的AD9280，最大采样率32MSPS，输出的采样值量化位宽8bits，其采样频率由FPGA给出。

4 FPGA系统设计

因为测量精度要求高，需要有校准、测量两个过程，将使用FPGA系统完成[2]。其中，校准过程中，完成基准数据的获得与存储;测量过程中，通过比对频率，获得被测纸张数;最后显示测量结果。其系统框图如图3所示。

用户通过按键输入，进行自校准模式，测试模式的切换，系统也分别亮起不同的LED灯，提醒用户。

下面对关键模块的设计进行说明

4.1 测频模块

AD采样模块接收来自555电路输出的振荡方波信号，以2.1V为阈值对输入信号进行逻辑0或1的判定;FPGA板上时钟是50MHz，通过分频模块获得占空比为50%，周期为2秒的测频控制信号，即，该信号1秒的高电平作为测频使能信号，1秒的低电平控制测得的频率值锁存[3]。

计数模块以AD模块输入的方波信号为时钟信号，在测频控制信号1秒钟的高电平信号期间，模块对该方波上升边沿进行计数，1秒钟计数得到的值，即是测得的频率值;当测频控制信号是低电平时，计数值（频率值）不变，锁存。为了减少测量误差，本次设计将在给定的8个时间段里，采集8个频率数据，求取平均值后作为频率测试值输出到后续模块中。

4.2 按键模块

本设计需要两类按键，第一类通过按键向系统送入当时的纸张数;第二类是确认信息，是用户在完成纸张数值输入，或系统稳定后可以开始测试的提示信号。本部分包括：软件消抖模块，按键边沿检测模块。

软件消抖模块因为下载板没有硬件消抖电路，为避免对按键输入的误判，此模块以50MHZ为系统时钟，将按键的输入连接到模块的输入端（PIN_IN），随后模块通过在足够长的时间里，进行多次信号采样判断，获得按键真实信息，给输出端（PIN_OUT）以稳定的0或者1的输出，达到按键消抖的目的。

按键边沿检测模块，是通过对消抖后的输入确认信息的按键进行检测，获得其上升沿，即获取用户的确认操作，以提示系统可以进行后续的工作。

4.3 校准模块

当系统进入自校准模式。放入纸张，待监控到频率数据基本稳定后，通过按键输入此时的纸张数，并随后按下确认键，让频率值存入RAM中，其中存储单元的地址等于纸张数。模块仿真图如图4所示

从上面可以看出 按键脉冲来后，立即更新地址值，再经过数个时钟周期RAM输入值变化，同时LED跳变表示成功保存校准值。RAM相应的存储单元输入本段时间测得的频率平均值。

4.4 查找表数据处理模块

在测试模式下，该模块接收测频模块输入的频率，依次读出RAM 预存的各个频率，求它们与输入频率差值的绝对值，随后求得绝对值中的最小值，则相应的频率所在的RAM地址即为输入频率对应的纸张数。

4.5 结果显示模块

本次设计采用六位一体数码管实时显示纸张数，并同时驱动一个电平使得蜂鸣器发出提示音。在自校准过程中，也可再接入一套数码管，实时显示频率值，使得基准数据更精确。

5 系统总体测试

将555电路输出的频率信号接入AD采样模块，AD模块的输出连接到FPGA下载板，完成硬件搭建，测试电路如图5所示。

在测试中，发现在纸张安装好后，夹具的压力与频率相关性比较大，于是采用固定夹具压力，也观察到频率开始一段时间变化较大，后趋于平缓，由此调试程序，在延迟一定时间后，才进行频率数据的采集与测试。

在调试中观察到，作为高精度测量，测试环境的温度，湿度，对测试结果影响较大，也提示本系统在每次测试前，都必须进行自校准操作，使得存入RAM的数据，符合当前环境的特点。

系统设计中，曾尝试采用曲线拟合的方式进行RAM数据获得，减少自校准时间，但是发现拟合的误差较大，往往会掩盖细微厚度引起的电容变化，建议后期使用中不采用此方法。

经过测试，本系统在多种环境下，均能稳定完成1到48张纸的厚度测量，准确报告纸张数。

6 結语

本系统完成了微米级厚度测量，是一套高精度、高速、低成本测量电路系统。可推广至相关产品的生产线，验收环节使用。

参考文献

[1] 祝水军，李良儿.一种基于555定时器的方波产生电路设计[J].浙江工商职业技术学院学报，2019，18（2）：30-33

[2] 刘桂华，罗亮.基于FPGA 的现代数字系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[3] 徐冬冬，闫嘉琪.基于FPGA的数字频率计的设计[J].数字技术与应用，2020，38（6）：120-121.

收稿日期：2020-09-10

作者简介：毛奎章（1968—），男，四川青神人，本科，高级工程师，研究方向：信息处理及显示技术。

A Kind of High-precision Measurement System Design for Insulating Materials Thickness

MAO Kui-zhang1，GUO Hai-yan2

（1.Sichuan Changhong Electric Co.， Ltd，Mianyang Sichuan  621000;2.Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan  621010）

Abstract：This paper discusses a high-precision and low-cost system for thickness measurement of insulating materials。In this design， at first ，the thickness of the measured object is designed as the capacitance electrode distance which is converted into a frequency value by a circuit; then，the digitalized frequency signals are inputted to FPGA by AD sampling circuit . The system self-calibration， real-time measurement， data display and other functions quickly realized because of FPGA parallel characteristics. Overall system test displays that the system can achieve accurate measurement of micron thickness of insulating material，it can be extended to the relevant production measurement system.

Keywords： Capacitor-frequency conversion; High precision measurement;FPGA