电容容量的精确测量.docx
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摘要
摘要
本设计主要研究电容容量的测量。
电容在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用，对推动科技及生产发展均有重要的应用价值。
在测量领域，电容容量是一个基本的测量对象。
电容容量测量近年来得到大范围的推广应用，国内外越来越多的人研究电容测量技术，努力提高其精度。
电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。
现在随着单片机技术的不断成熟，用单片机去测量电容容量会更精确，智能化。
本设计采用脉冲计数法对电容进行测量。
脉冲计数法设计思想是把电容C通过RC三点式振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转为数字量，然后送入单片机进行计数后再对数据进行处理等一系列运算求出电容C，并送显示器显示。
电容容量的测量在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。
关键词 电容；测量；555振荡器；单片机
II
Abstract
Thisdesignmainlyresearchcapacitancemeasurement.Capacitorintheelectroniccircuitiswidelyused,itssizeontheperformanceofthecircuithasanimportantroleinpromotingthedevelopmentoftechnologyandproductionhaveimportantapplications.Inthemeasurement,capacitancemeasurementisabasicobject.Capacitancemeasurementsinrecentyearsbeenpromotingawiderangeofapplications,Moreandmorepeopleathomeandabroadstudycapacitancemeasurementtechniques,effortstoimproveitsaccuracy.Capacitancemeasuringcircuitisdesignedtofacilitatetheaccuratemeasurementofcapacitanceperformance.Now,withthemicrocontrollertechnologycontinuestomature,withasinglechiptomeasurethecapacitancewillbemoreaccurateandintelligent.
Thisdesignusesapulsecountingmethodtomeasurethecapacitance.PulsecountingmethodistoconvertthecapacitorCthroughtheRCthree-pointoscillationintofrequencysignalf,soputanalogtodigital,andthenintothesinglechipcount.AfterthedataprocessingandaseriesofcalculatedoperationsfindthecapacitanceC,andsenttodisplay.
Capacitancemeasurementsinagriculture,materials,machinery,processcontrolandpipelinedetectionhavewideapplicationareas,andforpromotingthedevelopmentofproductiontechnologyhaveimportantapplicationvalue.
Keywords Capacitance; Measure; 555oscillator;singlechipmicrocomputer
目录
IV
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2研究现状 1
1.3发展趋势 3
1.4本论文的主要工作 4
第2章电容容量测量的原理和设计要点 5
2.1电容的基本知识 5
2.2电容测量原理简介 6
2.3本论文的测量原理 7
2.4本论文的设计要点 7
2.5本章小节 8
第3章电容测量电路设计 9
3.1总体设计 9
3.2RC振荡电路设计 9
3.2.1555振荡电路 9
3.2.2电容分档测量电路 12
3.2.3测量电路中电阻的选择 13
3.3数字部分电路设计 14
3.3.1单片机的选择 14
3.3.2单片机时钟电路设计 18
3.3.3单片机的复位电路设计 20
3.3.4单片机的定时器/计数器设置 21
3.4各接口电路设计 24
3.4.1RC振荡器与单片机的接口电路设计 24
3.4.2单片机与显示器的接口电路设计 24
3.5本章小结 25
第4章电路仿真和误差分析 26
4.1模拟电路部分仿真 26
4.2数字电路软件设计部分 26
4.3误差分析 28
4.3.1电阻误差分析 28
4.3.28051测频法的误差分析 31
4.3.3单片机定时器中断时间误差的分析及补偿 31
4.3.4电容测量电路的分辨率 32
4.4本章小结 33
结论 35
参考文献 36
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题背景
电容是构成电路最基本、最常用的元件。
在电子系统设计中，电容的精确测量对开发高质量的电子产品具有重要意义。
在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性[1]。
在测量领域，电容容量是一个基本的测量对象。
电容在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。
物质的某些物理或化学特性往往与电量信号有着紧密联系，例如溶液中某种成分的浓度与电容存在一定的对应关系。
当物质的特性发生变化时，与它相关的电信号也会发生变化[2]。
因此，可以根据这种电量与非电量之间的关系进行测量，获得期望的非电量信号，如通过测量中药溶液中的电容值，获得与之对应的某种成分的浓度信息，以实现中药生产过程的实时监控等。
研究电容测量技术，可以测量物性、湿度、水分、密度、液面高度、距离等。
现在已经出现了相应的检测仪器，称之为物性分析仪表，例如电容式湿度计、电容式水分计、电容式密度计、电容式液面高度计等等。
因此，此课题对我们日常生活有极其重要的作用。
随着工业体系对测量技术的要求越来越高，电容测量电路的设计是为了准确的测量电容性能。
当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。
基于无线电技术的发展与普及，频率已经成为广大群众所熟悉的物理量。
而单片机的出现更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，其小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要的地位。
为此，本文给出了一种用单片机进行频率测量的电容测量电路。
23
1.2研究现状
电容容量测量近年来得到大范围的推广应用。
国内外越来越多的人研究电容测量技术，努力提高其精度。
电容在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。
通过测量极板电容器的电容量可以获得极板问电介质材料的介电常数、极板间距等重要参数，在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。
测量电容被测量的方法各有不同，在过去电容的测量系统中，几乎都是根据普通的电路原理，用一些常规的方法来测量的，它们各有其优缺点，比如把它作为阻抗的虚部来测量的，还有充电法，比例法等等，一般都存在计算复杂、精度不高、不易实现自动测量而且很难实现智能化[2]。
现在随着单片机技术的不断成熟，用单片机去测量电容容量会更精确，智能化。
下面是国内外的一些电容测量仪产品：
国外的：
美国安捷伦Agilent 4268A电容测试仪能以恒定的高电平测试信号高速测量大数值的多层陶瓷电容器，符合IEC384-10标准。
120Hz测量能对达
600μF提供恒定1V测试信号。
美国安捷伦Agilent 4288A电容测试仪按照工业标准进行改进后，这种新型电容测试仪可以为生产线测试提供更小的占地面积、更高的精度以及更快的批量测试能力。
TES（泰仕）生产的TES-1500型电容表，精度0.5%，规格0.1pF-
20,000μF。
国内的：
同惠仪器电容测量仪TH2618B是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。
该产品可提供至10kHz的典型测试频率及四档分选功能，尤其适用于生产线快速测量，该产品具有强有力的抗冲击保护能力，解决了长期以来电容测量仪冲击保护能力差这一困扰使用者的顽症。
完善的HANDLER接口可以方便地应用于元件自动分选系统。
常州市惠发电子有限公司生产的多频电容测量仪其特点如下：
六个典
型测试频率，最高频率1MHz，整机可靠性、稳定性强，适用于小电容、晶体管结电容的测量，最高达20次/秒的测试速度，自行诊断故障功能。
深圳市欧凯特电子有限公司生产的TH2617型电容测量仪是一种高精度、宽测试范围的电容参数测量仪器，可方便选择
100Hz、120Hz、1kHz、10kHz、40kHz、100kHz六个典型测试频率，并可选择0.1V、0.3V、1.0V三个测试信号电平。
TH2617A提供了独特的双频测试功能，仪器可同时在两个任意设定的频率下测试并将结果输出显示和分选。
仪器既能适应生产现场高速检验的需要，又能满足实验室高准确度高稳定度的测量需要，同时仪器所提供的HANDLER及RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统和与计算机联网通讯提供了条件, 打印接口可直接将仪器测量条件输出至打印机。
1.3发展趋势
随着集成电路技术和数字电路技术的飞速发展,电容测量技术也得到很好的发展。
由于传统的检测电路已经不能满足现代测量的需要，研制更高精度和快响应速度的检测电路成为必要。
电容充放电检测技术是最近研究比较多的电容检测方法，国外已经利用此方法实现了两相流的图像分析。
有的公司设计出芯片。
例如，CD8010该芯片是美国一家公司最近开发的，芯片暂命名为CD8010。
该芯片是一个高分辨率的Σ一△型电容数字转换器，可测量单端输入电容信号和差动电容信号，外围电路简单。
芯片分辨率达
24位，由于电路中杂散电容的影响，一般能够使用的分辨率为18位。
测量精度为4fF，转换温度漂移为27ppm/℃，测量范围±8.192pF，可设置的共模电容最大为17pF，数据采样率为5Hz到45Hz可调，内置转换时钟，更能减小系统体积。
通信采用兼容的两线串行接口，易于控制，应用温度范围极宽，极其适合于安放在传感器内部，能工作在较差的温度环境中。
芯片可以通过单端3.3V或5V供电，在工作时，最大电流为lmA。
使用本芯片可以使系统功耗大大降低，测量电路的总功耗低于5mW[3]。
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求数据采集和处理系统的准确度更高，可靠性更
强，并具有一定的自校验、自补偿等功能。
传统测控方式已不能满足这些要求。
近几年来，伴随着单片机的发展而产生功能强大的数据采集系统可以准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。
智能化、数字化数据采集系统己成为当今科技界研究的热门课题。
目前,国内外在电容检测方面的研究重点是:
（1）电容检测电路的抗干扰和抗杂散电容的研究。
（2）提高测量电路的测量精度，尽量满足工业检测和控制的需要。
（3）进一步使测量系统朝着智能式，便携式，模块化方向发展。
电容测量会随着测量技术的发展朝着精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非接触化和多功能化方向发展．
1.4本论文的主要工作
1.设计电容测量电路，使之能够在0-100微法之间分档测量电容值。
2.设计电容测量模拟电路输出信号的数据采集和处理系统，显示所测量电容值。
3.对所设计的模拟电路进行仿真。
第2章电容容量测量的原理和设计要点
第2章电容容量测量的原理和设计要点
2.1电容的基本知识
电容（或电容量,Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。
一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。
电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。
我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。
电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，除了介质漏电自放电效应，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。
主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。
电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如在电动马达中，我们用它来产生相移；在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等。
而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。
很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。
由于电容器的类型和结构种类比较多，因此，使用者不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点、机械或环境的限制条件等。
2.2电容测量原理简介
下面介绍一些测量电容的方法。
1.交流电桥电路
在较低工作频率下常采用电桥电路即AC桥路法实现电容变化的精确测量。
其原理是将被测电容放在一个桥臂上,可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂上，两桥臂分别接到频率相同、幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥
路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共轭相等。
这种电路的主要优点是：
精度高，适合作精密电容测量，可以做到高SNR（信噪比）。
其缺点是：
不具备自动平衡措施，构成较复杂[4]。
电桥法可以准确的测试被测电容器的电容量、介质损耗值，以前用手动电桥为了达到电桥的平衡需调整数十个旋钮，测试结果需要大量的换算，对操作技能要求较高，测试工效很低，80年代问世了数字自动电桥，电桥在内部微机的控制下自动平衡，最终结果直读得到，大大方便了使用，如今高压西林电桥、高频电桥等几乎已经被自动化电桥所替代。
2.电荷法
这种方法是利用对电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波就能得到随被测信号变化的信号。
该电路能抗杂散电容，电路结构简单、成本低，经过软件补偿后电路稳定性较高。
充放电频率高，因而获取数据速度快。
其主要缺点是：
①采用直流放大存在漂移问题；②存在CMOS开关引起的电荷注人问题[5]。
3.脉冲调宽型电路
差动脉冲调宽电路利用对电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容量变化而变化。
通过低通滤波器就能得到被测量变化的直流信号。
差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对组件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的电压，对输出矩形波的纯度要求也不高[6]。
小型电容测试仪还常用积分法或斜率法（含双斜率）测试电容，原理是测试RC积分时间或以恒流源对被测电容充电，用充电时间或充电终止电
压来计算被测电容的电容量，可以达到比较高的测试精度。
2.3本论文的测量原理
本论文采用脉冲计数法进行电容容量测量，脉冲计数法设计思想是把电容C通过RC三点式振荡转换成频率信号f，这样就把模拟量转为数字量，然后送入单片机进行计数后再对数据进行处理和软件编程等一系列运算求出电容C，最后送显示器显示。
它主要由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟电路主要用于产生RC振荡频率f，而数字电路则用于对所产生的振荡频率进行计数、处理、控制并送显示器显示等。
2.4本论文的设计要点
1.设计电容测量的模拟电路，使之能够在0-100微法之间分档测量电容值。
通过阅读文献资料，确定设计方案，是把电容量转换为电压量还是
转换
为频率等，设计出方案的模拟电路。
由于测量范围比较大，电路在同一元件下不会一直有很高的精确度，所以要改变部分元件参数达到精确测量的目的，既要分档测量。
确定是要通过改变阻值进行分档测量还是通过改变其他元件参数使该电路在0-100微法之间进行分档测量。
处理好各元件之间的连接问题，以免出现不必要的错误。
2.设计电容测量模拟电路输出信号的数据采集和处理系统，显示所测量电容值。
此部分主要设计采用哪种单片机进行数据的采集和处理以及用哪种显示器，使电路的测量精度高，性能好。
并进行软件的编写处理单片机所采集
的
数据。
还有各元件的接口问题,怎么进行连接，使电路能够有序的进行数据传输，保持数据的真实性，使电路稳定，产生的误差小。
随着测控系统自
动化、智能化的发展，要求数据采集和处理系统的准确度更高，可靠性更强，并具有一定的自校验、自补偿等功能。
传统测控方式已不能满足这些要求。
近几年来，伴随着单片机的发展而产生功能强大的数据采集系统可以准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。
智能化、数字化数据采集系统己成为当今科技界研究的热门课题。
当今的许多种单片机系列和显示器种类，各有其优缺点。
要依据本课题进行正确的选择，达到优选的目的。
3.涉及整个系统的电源。
电源电路设计影响整个电路的稳定性。
如果使用高频的电源很容易产生
电磁干扰，影响电容测量电路的正常工作。
要采用适当的电源电路保证整个
电路稳定的实现其功能。
2.5本章小节
本章介绍了几种传统的电容测量方法：
交流电桥电路、电荷法、脉冲调宽型电路，他们各有优缺点。
接着简要说明了本设计的基本测量原理以及设计要点，为后续电路设计打好基础。
第3章电容电路测量设计
第3章电容测量电路设计
3.1总体设计
首先设计RC振荡电路，接入被测电容后，由555定时器构成振荡器产生方波。
然后，把此脉冲信号通过接口传到8051单片机上，对此脉冲信号进行计数，通过软件编程，使之转换成电容值，最后由1602液晶屏显示电容值。
电容测量电路的整体框图，如图（3-1）。
下面是各部分电路的设计。
被测电容
RC
振荡电路
f
8051
显示器
图3-1电容测量电路的整体框图
3.2RC振荡电路设计
建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电，对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源，自激的因素是微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，为此采用555定时器来产生RC振荡频率[7]。
3.2.1555振荡电路
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，它由3个阻值为
5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器
（G1、G2）、放电BJT以及缓冲器G（G3、G4）组成。
其内部结构如下图（3-2）。
当它把6号引脚和2号引脚接在一块时构成了斯密特触发器，再把7号引脚经
RC积分电路接回到它的输入端就构成了多谐振荡器。
外接相应的电阻和电容时便可产生多谐振荡，得到需要的频率。
接通电源后，电容C被充电，
Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT导通，此时
Vo为低电平，电容C通过R2和BJT放电，使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
tPL=R2Cln2
（3-1）
当C放电结束时，BJT截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由
1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为
tPH=（R1+R2）Cln2
（3-2）
当Vc上升到2/3Vcc时，触发器翻转，如此周而复始，在输出端得到一个周期性的方波，其频率为
f=1/（tPL+tPH）
（3-3）
Vcc RʹD
8
4
5KΩ
VR1
5
6
2
+
-
C1
ƲC1
G1 Qʹ
5KΩ
+
G3
VR2
C2
G2
ƲC2
-
Q
G4
3
5KΩ
TD
7
1
Vco
ƲI2
（TRʹ）
图3-2555定时器的内部结构
在本设计中
即：
f=1/T=1/[（ln2）（R1+2R2）CX]CX=1/[fln2（R1+2R2）]
（3-4）
（3-5）
当R1、R2、C2确定时，f与Cx是一一对应关系。
由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，能保证检测结果的准确性。
电容测量的“脉冲计数法”正是利用了555定时器构成多谐振荡器这一原理来设计的[8]。
3.2.2电容分档测量电路
本设计的要求是对1pF到100μF之间的电容进行测量。
由于跨越了8
个数量级，范围比较大，所以要进行分档测量。
图3-3电容分档测量电路图
测量电路分成三个档进行测量：
1pF~1000pF、1nF~1000nF、1μF~100μF。
通过查阅资料、进行精确的推理计算，确定出电容分档电路图即模拟部分电路图。
其中CON引脚接10nF为了提高电路稳定性。
这个电路图通过仿真可以产生脉冲。
模拟部分电容分档电路图如图（3-3），其中J1、J2、J3为所分档的三个开关，
A、B、C分别为三个开关的快捷键。
例如按下字母A开关J1就闭合，再次按字母A开关J1就打开。
Cx为被测电容。
OUT为输出脉冲的引脚，与单片机相连。
1μF~100μF对应f=22Hz~2216Hz；1nF~1000nF对应f=13
Hz~13164Hz；1pF~1000pF对应f=14Hz~14493Hz。
3.2.3测量电路中电阻的选择
在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1°C时电阻值发
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