一種電容測量單元電路及其實現(xiàn)原理

王 深 福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院；福建理工學(xué)校

一種電容測量單元電路及其實現(xiàn)原理

王 深 福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院；福建理工學(xué)校

電容測量；單片機

在電子電路的設(shè)計與制作中，通常都要用到電容元件。這些電容元件的種類各異，容量不一，而其容量的大小對電路性能則有著重要的影響。在現(xiàn)階段，對電容容量進行測量的方法主要有電橋平衡法、諧振頻率測量法和脈沖寬度測量法等［1］。電橋式電容測量儀雖然精度較高，但是其較大的體積和重量不便于日常攜帶，且操作較繁瑣。本文提出了一種基于單片機控制的電容測量單元電路，可實現(xiàn)對數(shù)十皮法到上千微法范圍電容容量的精確測量。

1.硬件電路設(shè)計與元器件參數(shù)

1.1 電容測量單元電路

本方案的電容測量單元電路設(shè)計如圖1所示。

圖1 電容測量單元電路

電阻R4（或R5）與被測電容組成RC充電電路，被測電容與三極管VT2的C、 E極組成電容放電電路。單片機引腳（P2.6）控制三極管VT1的導(dǎo)通或截止從而控制繼電器實現(xiàn)R4、 R5之間的接入切換。 P3.3用于控制三極管VT2的導(dǎo)通或截止從而控制電容放電電路的接通或斷開。調(diào)節(jié)電位器RP1，使電壓比較器IC2的3腳電位保持在3.16V，當(dāng)IC2的2腳電位高于3.16V時，其1腳（接P3.0）輸出低電平'0'，從而實現(xiàn)對電容充電到目標(biāo)電壓的實時監(jiān)測。

1.2 元器件參數(shù)

電容測量單元電路的各元器件參數(shù)如表1所示。

表1 元器件參數(shù)

2.電容測量的實現(xiàn)原理

本設(shè)計基于單片機控制實現(xiàn)對電容容量的測量，具體操作步驟及測量原理說明如下：

⑴在CJ3的兩端接入被測電容器Cx；

⑵若是小容量電容（Cx＜10μF），則選擇R5與Cx組成RC充電電路；若是大容量電容（Cx≥10μF），則選擇R4與Cx組成RC充電電路；

⑶當(dāng)單片機檢測到P3.0引腳的低電平'0'信號后，立即關(guān)閉定時器并記錄充電時間，然后接通電容放電電路（P3.3=1），保持約1秒，保證被測電容放電完畢（兩端電壓為0V）；放電完成后，斷開電容放電電路（P3.3=0），工作電壓5V開始經(jīng)由R4或R5對被測電容進行充電，同時啟動單片機定時器重新開始計時；

⑸數(shù)據(jù)處理，換算得到被測電容的對應(yīng)容量并送數(shù)碼管或液晶屏顯示；

⑹循環(huán)⑶～⑸的過程，對被測電容器的容量進行反復(fù)測量并送顯示。

3.數(shù)據(jù)處理算法

根據(jù)被測電容器容量與充電時間之間的關(guān)系，在本設(shè)計中，采用特定的數(shù)據(jù)處理算法以得到有效的電容器容量結(jié)果，具體說明如表2所示。

表2 電容器容量的換算方法

其中，對于小電容測量，定時器時基設(shè)為20μS，對于大電容測量，定時器時基則設(shè)為200μS， cnt是定時器的重復(fù)次數(shù)。

4.結(jié)束語

本文針對專用電容測量儀價格昂貴、操作不便的不足，提出了一種基于單片機控制的電容測量單元電路，其具有工作穩(wěn)定、測量精度高、體積小、制作成本低的特點，能夠滿足日常電子產(chǎn)品裝配與調(diào)試中對電容容量測量的使用需求。

王深，性別：男，福建省福州市人，1985年出生，學(xué)歷：本科，職稱：福建理工學(xué)校機電專業(yè)助理講師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。

本文闡述了一種基于單片機控制的電容測量單元電路的設(shè)計實現(xiàn)方案，詳細介紹了硬件電路、元器件參數(shù)以及電容容量測量的步驟和原理。

［1］ 張玉芹，洪遠泉.數(shù)字式電容測量儀設(shè)計［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（3）：52-54.