精密電容測(cè)量?jī)x的研究與設(shè)計(jì)

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

電容測(cè)量是一項(xiàng)很基礎(chǔ)的研究工作，在日常的電路研究及實(shí)驗(yàn)中，電容作為一個(gè)使用非常頻繁的電子元件，實(shí)際電路對(duì)電容的要求越來(lái)越精確，如果電容測(cè)量達(dá)不到一個(gè)很準(zhǔn)確的水平，會(huì)直接影響到各項(xiàng)科技的提升和進(jìn)步，因此研究電容測(cè)量技術(shù)具有非常重要的意義。當(dāng)前隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電容測(cè)量技術(shù)也呈多元發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)量方法大都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數(shù)，精度不高，外觀不好，可靠性差。因此，高精密簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x的研究十分必要。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，本系統(tǒng)采用直流電源對(duì)電容器充電，電容器電壓隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，在確定的電壓電流條件下通過(guò)充電時(shí)間長(zhǎng)短就可得出電容量的大小。系統(tǒng)主要包括運(yùn)用運(yùn)算放大器電路、555信號(hào)發(fā)生器電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管顯示電路等。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 電容均勻充電電路

利用電容器能夠充放電這一特性，當(dāng)充電電流恒定不變時(shí)，電容器上電壓充電時(shí)間的長(zhǎng)短與電容器電容量成正比。電容量越大，充電時(shí)間越長(zhǎng)，電容量越小，充電時(shí)間越短。根據(jù)公式：

制定電容充電電路。

此電路的關(guān)鍵是有一個(gè)對(duì)電容器充電的恒定電流電路。此電路中的開(kāi)關(guān)S1、S2要求是同開(kāi)同閉，所以在實(shí)物中采用的是組合開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，運(yùn)放U1A的同向輸入端電位U3會(huì)等于反相輸入端的電位U2。

在測(cè)量前將開(kāi)關(guān)閉合，使被測(cè)電容和地短路，可將被測(cè)電容里有的電荷釋放。電容器初始電壓為0，讓電路處于初始狀態(tài)電容待測(cè)量，使得555芯片處于停振狀態(tài)，也讓4024計(jì)數(shù)器處于復(fù)位狀態(tài)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電位在電源接入狀態(tài)下不斷升高（從1.596 V開(kāi)始升高到小于3.37 V），使得比較器輸出高電平，當(dāng)Q1飽和時(shí)輸出電平為低電平。當(dāng)電路中的U2A輸出低電平，U2B輸出高電平，U2C輸出高電平時(shí)555開(kāi)始振蕩，4024開(kāi)始進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。當(dāng)電容器電荷充滿時(shí)，555停止振蕩，4024計(jì)數(shù)停止。所以電容器越大充電時(shí)間越長(zhǎng)，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)越多；相反，電容器越小充電時(shí)間越短，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)越少。

所以，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電路處于預(yù)備狀態(tài)，電路待測(cè)量。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，電路處于測(cè)量狀態(tài)，電路測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 電容器均勻充電電路

2.2 NE555多諧振蕩電路

NE555構(gòu)成的多諧振蕩器控制信號(hào)產(chǎn)生電路，如圖3所示。在初始狀態(tài)時(shí)Ur=0，振蕩器不工作，開(kāi)始測(cè)量后Ur=1，振蕩器開(kāi)始工作，當(dāng)變化電壓達(dá)到3.37 V時(shí)，振蕩器又停止工作。設(shè)定振蕩器工作電壓在1.59～3.37 V中間。在工作電壓中間長(zhǎng)產(chǎn)生的脈沖數(shù)與被測(cè)電容量大小成正比。

圖3 NE555構(gòu)成多諧振蕩電路

根據(jù)公式

設(shè)定1 μF的充電時(shí)間為0.04為以脈沖產(chǎn)生的周期，及充電時(shí)間就為555產(chǎn)生脈沖周期。被測(cè)電容器電容量有多大555將產(chǎn)生多少個(gè)脈沖。555電路將測(cè)出脈沖數(shù)輸出到顯示電路。

2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

在測(cè)量期間，振蕩器所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)可通過(guò)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后由數(shù)碼管顯示出來(lái)，也可以通過(guò)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后由發(fā)光二極管顯示，本設(shè)計(jì)采用的是二進(jìn)制計(jì)數(shù)后LED顯示，如圖4所示。脈沖數(shù)通過(guò)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4024計(jì)數(shù)再通過(guò)非門(mén)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，再通過(guò)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)確定大小，測(cè)量范圍在0～127 μF。

當(dāng)電路在準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，Un=0，RST=1，計(jì)數(shù)器4024處于復(fù)位狀態(tài)不計(jì)數(shù)。4024輸出端Q7-Q1輸出為低電平經(jīng)過(guò)非門(mén)反相輸出后為高電平，此時(shí)發(fā)光二極管不導(dǎo)通。

當(dāng)電路處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，Un=1，RST=0，計(jì)數(shù)器4024處于工作狀態(tài)開(kāi)始計(jì)數(shù)。4024輸出端根據(jù)不同的被測(cè)電容大小輸出相應(yīng)的大小值。

圖4 結(jié)果顯示電路

在這個(gè)電路中Q7及D1為電路顯示最高位，Q1及D7為電路顯示最低位。計(jì)數(shù)器顯示讀數(shù)從Q7-Q1從高到低讀數(shù)。

3 系統(tǒng)調(diào)試與分析

在調(diào)試前需準(zhǔn)備好調(diào)試所需直流穩(wěn)壓電源、電源線、實(shí)驗(yàn)板、被測(cè)電容器、電烙鐵、焊錫絲、鑷子、萬(wàn)用表、示波器。系統(tǒng)的調(diào)試首先我們對(duì)整個(gè)電路的電源電路進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有短路斷路情況下再對(duì)電路的單元電路電壓進(jìn)行測(cè)試，最后將顯示結(jié)果進(jìn)行記錄。

3.1 電源電路檢測(cè)

目的：檢測(cè)電源電路是否有斷路、短路，看電路是否可以工作。

檢測(cè)方法：將萬(wàn)用表打到蜂鳴檔再將黑表筆放置在電路板的地接線端，將紅表筆放置到每個(gè)單元電路或每個(gè)有GEN端口處，檢測(cè)VCC也是同方法。

檢測(cè)結(jié)果：電源電路正常，電路板電源線沒(méi)問(wèn)題。

3.2 電容均勻充電電路檢測(cè)

目的：檢測(cè)電容是否能均勻充電，主要檢測(cè)電路經(jīng)過(guò)LM358后電壓的變化。

檢測(cè)方法：將電路板接入5 V電源，放入待測(cè)量的電容器，將雙位開(kāi)關(guān)按下時(shí)，電路處于待測(cè)量狀態(tài)，這時(shí)測(cè)量LM358的3號(hào)引腳電壓是否為1.59 V，將測(cè)量結(jié)果記錄。將電容器短路卸荷后，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，電路進(jìn)入充電測(cè)量狀態(tài)，這時(shí)再用萬(wàn)用表測(cè)量LM358的1號(hào)引腳輸出電壓值，電路在充電過(guò)程電壓值會(huì)在1.59～3.77 V之間，充電完畢電壓值不再變化。

檢測(cè)結(jié)果：電容均勻充電電路正常，電容器可完成充電，但電壓值有差距。

3.3 NE555多諧振蕩器控制信號(hào)產(chǎn)生電路檢測(cè)

目的：檢測(cè)電路是否可以正常產(chǎn)生脈沖信號(hào)，主要檢測(cè)NE555芯片是否工作正常。

檢測(cè)方法：電路有兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)電路開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電路處于被測(cè)量狀態(tài)，這時(shí)振蕩器不工作沒(méi)有脈沖產(chǎn)生。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電路處于測(cè)量狀態(tài)，這時(shí)振蕩器開(kāi)始工作產(chǎn)生脈沖，只到電壓值上升到3.77時(shí)NE555不再振蕩產(chǎn)生脈沖。

檢測(cè)結(jié)果：NE555振蕩控制信號(hào)產(chǎn)生電路能正常產(chǎn)生脈沖。

3.4 結(jié)果顯示電路檢測(cè)

目的：檢測(cè)電路是否能通過(guò)LED燈正常顯示測(cè)量結(jié)果。

檢測(cè)方法：根據(jù)電路狀態(tài)檢測(cè)CC4024能否正常復(fù)位、計(jì)數(shù)，將開(kāi)關(guān)閉合時(shí)LED燈不會(huì)顯示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)LED燈根據(jù)脈沖數(shù)顯示結(jié)果。CD4069是否可以正常將輸入電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

檢測(cè)結(jié)果：LED燈能正常顯示輸出電平。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，選用3個(gè)特別常見(jiàn)的電容：100 μF、22 μF、47 μF 的電容進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 電容測(cè)量表

5 結(jié) 論

本文在分析了當(dāng)前電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)所采用的方法以及各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使用5 V直流穩(wěn)壓電源供電，設(shè)計(jì)了一款高精密簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x，通過(guò)電容器的均勻充電電路對(duì)待測(cè)電容充電，通過(guò)充電產(chǎn)生的充電時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)充電時(shí)長(zhǎng)與電容量成正比的關(guān)系進(jìn)行電容測(cè)量，方法簡(jiǎn)單，讀數(shù)直觀，經(jīng)過(guò)測(cè)量，精密度較高。

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