基于MAX038的小電容簡易測試儀的設(shè)計

鄭麗萍

摘 要：本文所闡述的小電容簡易測試儀是基于MAX038設(shè)計出來的，其設(shè)計原理是以MAX038的外接電容作為測試電容，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號輸出，由TM4C123GH6PM完成等精度測量頻率并計算所測試電容值。為了提高精度，數(shù)據(jù)用最小二乘法分段擬合，在高精度電容測試儀和簡易測試儀之間進行比較測試，以實現(xiàn)自動修正并顯示測量結(jié)果。測試儀可以檢測10 pF～1μF的電容。試驗結(jié)果表明，測試儀運行穩(wěn)定， 測量速度快，精度可達到一級。

關(guān)鍵詞：MAX038 小電容測試 TM4C123GH6PM 等精度頻率測量

本文通過研究標準函數(shù)信號的生成及信號頻率和電容值之間的關(guān)系，設(shè)計出基于MAX038的便攜式電容測試儀。在設(shè)計中，應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)和誤差糾正的方法，使測試儀運行更快、更準確。它不僅可以作為一般便攜式電容測試儀應(yīng)用，也可作為適合學(xué)生的課題，在實踐中反復(fù)修正達到更好。

1 硬件組件和小電容簡易測試儀的工作原理

本文設(shè)計的電容測試系統(tǒng)包括電源模塊、函數(shù)信號發(fā)生器模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)和顯示模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電源模塊提供給函數(shù)發(fā)生器MAX038 ±5V的電源，同時使用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117，使電壓從5 V降至3.3 V，同時也為TM4C123GH6PM提供電源；MAX038函數(shù)信號發(fā)生器可以提供一個精確的方波信號，其頻率與測量電容相關(guān)，該方波信號被放大后，其頻率可由TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)估算出來，然后換算為測量電容的電容值，最后顯示在液晶屏幕上。

2 信號發(fā)生器和頻率范圍的選擇

2.1 信號發(fā)生器MAX038

信號產(chǎn)生模塊的功能是生成一個精確的信號，其頻率與電容器相關(guān)聯(lián)，通過測量信號的頻率，可以求出電容的值。本設(shè)計中采用的MAX038是一種低失真、高頻率、高精度的單片集成函數(shù)信號發(fā)生器，它借助少量的外部組件，可以產(chǎn)生準確的高頻三角波、正弦波、方波，其輸出頻率范圍是0.1Hz至20 Mhz。MAX038輸出信號的頻率，依據(jù)當前的系統(tǒng)和外部振蕩電容由輸入電壓UFADJ調(diào)整得到。

當UFADJ = 0 V時，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端與參考電壓的輸出終端之間連接一個電阻RIN，輸出振蕩頻率fo=UREF/RINCf。

Cf即為MAX038外接部分的待測電容。

2.2 頻率范圍的選擇

在這個測試系統(tǒng)中，在放大的前提下，要使測量值盡可能大，外部電阻器RIN應(yīng)該滿足兩個條件：第一，MAX038的輸出頻率不能太低，否則等精度頻率測量的測量精度將降低，比如，輸出頻率為50Hz，外部電阻RIN不應(yīng)超過5 kΩ。第二，在確保輸出頻率不超過20 MHz的情況下，可以嘗試增大電阻，但也應(yīng)該考慮到系統(tǒng)的最佳工作電流范圍?；谏鲜鲆蛩氐臏y試系統(tǒng)中，三個外接電阻值將外接電容測量分為兩個區(qū)間：RIN = 12.5 KΩ劃分 1μF ～ 1nF；RIN= 25 kΩ 劃分1000 pF ～ 10 pF。

3 放大調(diào)節(jié)模塊

由MAX038放大的方波信號輸出之后，其振幅被TM4C123GH6PM接收。模塊連接到同相位的AD8048放大電路，調(diào)節(jié)放大電路增益，使電容為10 pF時，由MAX038輸出3 V的電壓信號。

4 TM4C123控制模塊

由TM4C123GH6PM微控制器組成的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)兩個主要功能：第一，使用等精度頻率測量方法測量MAX038輸出的方波頻率；第二，應(yīng)用最小二乘法擬合和一致性修正方法，可以準確地計算和顯示測量電容值。精密頻率測量的波形如圖2所示。

TM4C123GH6PM內(nèi)部生成一個門信號，門信號期間，計數(shù)器A和計數(shù)器B分別計數(shù)測量信號（方波頻率fx）和標準頻率信號（定時頻率fc），假設(shè)在設(shè)定時間T內(nèi)，fx計數(shù)為NA，fc計數(shù)是NB?？梢缘玫剑篺x=fcNA/NB。

門信號T = 1s時，被測信號的計數(shù)值NA就是被測電容頻率的輸出值，即

fx=NA。

因此，實際的電路設(shè)計不需要定時頻率fc，因為方波的頻率可以通過計數(shù)器A獲得。當TM4C123GH6PM把估算頻率值代入公式，就可以獲得并顯示測量的電容值。

5 電容測試儀軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩個模塊，即主功能和定時器中斷功能。前者主要涉及微控制器TM4C123GH6PM，包括配置初始化，顯示控制初始化和中斷初始化；計算信號頻率和電容值。而后者主要用于定時。

當主程序檢測到被測信號的上升沿，計數(shù)器清零，同時定時器中斷1秒，然后會產(chǎn)生1秒的同步信號，并對MAX038輸出的放大方波信號進行計數(shù)。

6 最小二乘法分段擬合

為了提高測試的準確性，使用最小二乘法處理兩個測試電容器，運用MATLAB的公式 C = a / f + b，使其形成一個擬合曲線。擬合公式參數(shù)和曲線在圖3中標示出。擬合公式寫入TM4C123GH6PM，可以根據(jù)不同的取值估算電容值。通過多次估算，找出平均值，以減少隨機誤差，并使用高精度測試儀進行比較測試，糾正系統(tǒng)錯誤。

7 測試結(jié)果和誤差分析

7.1 測試原理

用高精度的測試儀和簡易測試儀分別檢查相同的測試源，比較二者的測試情況。測試原理如圖4所示。

7.2 高精度的測試儀測試情況

使用TH2821A手持LCR數(shù)字電橋作為測試儀器，電容測試范圍： 1pF～ 9999μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF ～ 999.9μF；測量精度是0.3%。

7.3 簡易測試儀測量結(jié)果

從測量結(jié)果可以看到：在10 pf ～ 1μf的范圍內(nèi)，最大誤差值出現(xiàn)在標準電容值為1.037μf時，即0.87%，該測試儀的測量精度是一級。

8 結(jié)論

基于MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的簡易小電容測試儀，將函數(shù)信號發(fā)生器的外接電容作為測量電容，它可以產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號輸出，根據(jù)外部電阻的測量頻率值，我們可以計算出電容值，使用最小二乘法和一致性修正方法來提高測試的準確性。試驗結(jié)果表明：在10 pf ～ 1μf的范圍內(nèi)，測試精度為一級。測試儀可以快速和更準確地測量電容值，并可以作為一般便攜式小電容測試儀使用。

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責任編輯 張 瑩