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单片机智能电容测试仪的设计与实现

作者：石庆福 许建明 来源：《硅谷》2011年第01期

摘要： 在利用单片机实现智能电容测试的过程中，其主要的原理就是标准比较。即利用标准的电容与测试电容的电压值比较来计算出被测电容的值，从而完成测试。实际的应用过程中这样的测试系统可以同多种的单片机来完成，但是其核心的问题就是主要系统的设计和功能实现。

关键词： 测试原理；电路实现；功能保证；软件设计

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110047－01

1 实现测量的基本原理

对电容的测量可以选用对电阻的测量方式，即将测量的对象与设计的标准电阻进行比较，然后得出对测量电阻测量数据。也就是在标准电阻和测量电子之间串联电路，并在电路中施加电流，通过对两个电阻上的电压进行比较，这样就可以得出测量电阻的具体数据。

基于这样的方式，在对电容的测量过程中也可以采用这样的比较方法，即电压比较法来对电容进行智能化的测量。因为电容的实质就是一种电抗元件，因此在检测的过程中不能利用直流电来进行测量，而应当利用交流电来进行测量。这主要是因为交流电在输入的的时候就会产生一定的角频率，这样就可以让电容参数随之产生电压变化。这样就可以利用标准的电容元件和被测元件之间的电压参数的差异来得出被测电子元件的参数和质量情况。但是在测量的过程中，应当注意的是电阻精度和角频率的稳定性，为此在智能化测试仪的设计中应当注意对基本单片机的选取，即利用稳定性和精度都需保证较高的质素。 2 测试原理的实现 2.1 测量信号的产生

单机片是智能电容检测仪的核心电器件，实现这个功能的方式就是利用单机片和精确的时钟源相结合，采用单机片来控制整个测试系统电路。其中单机片产生一个纯净的频谱、频率和相位都可编程控制模拟交流电的正弦电信号。这个正弦信号可以在测试中作为频率信号或者经过转换变为方波，被时钟读取。

单机片芯片在应用中可以体现出加载和串行加载，以串行加载为例，单机片只需要4条信号线路就可以实现对芯片的编程。其中DATA-IN为输入数据加载的串行线路，FQ_UD和

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W_CLK的两条线路可以控制时钟，从而实现对DATA-IN引脚上的时序控制，而RESET主要负责对芯片的复位。在125MHz时钟的控制下，输出的正弦信号和脉冲信号范围在0.291Hz-40MHz，这样就增加了编程过程中的选择范围，同时也提高了测试的精确度。 2.2 标准电容电压比例测量电路实现

利用电机芯片产生的标准的正弦波，这是一组稳定的高精度的正弦波信号，这个信号通过标准的电容，电容的一端与仪器相连接。这时检测仪器通过继电器转化，就可以从标准电容两端读到电压的变化。因为芯片的输入阻抗较低，为了降低电压的误差，经过被测电容的交流电源需要经过一个电源的跟随装置，然后才能通过高精度的交流-有效值转化芯片进行处理，形成有效的读取数据，最后经过ADC转化成数字信号，在单机片中完成比例参数的运算，从而得出电容值。

在测量不同参数的电容的时候，可以选择相应比例的标准电容进行对芯片输出信号的调整，这主要是通过单片机控制继电器电路和编程来实现分压转化，并在单片机的运算和控制下，实现量程的转换。

3 测试仪的电路设计和功能保证

3.1 测试仪器的电路设计的思路。在这个测试仪器的设计中，一般将整个测试系统分为三个大部分，即测量电路、测量通道选择、系统控制电路，测量系统的核心就是利用电子元件产生多谐波振荡装置，而数据关联的通道则是由基础的数据选择器进行处理，控制系统则是由芯片进行组合形成。这里根据所选择的通道，通过两个端口进行向模拟开关发送地址信号，这就可以获得振荡的频率，然后根据所测试的参数反馈进行判断，并进行下一步动作，即转化量程，或者将数据进行处理，从而得到最后的测量参数。

3.2 重要组成电路的设计实现。1）主要测量电路。在实现电容测量的过程中，思路主要是利用脉冲统计的方法，利用基本时间控制装置构成的多谐振荡电路，通过对振荡电路的频率输出来计算出被测电容的大小。其核心的定时电路器采用的为555进行连接。该电路的基本特征就是电路的振荡周期是可以控制的，并且为了让震荡频率保持在一定的范围内，这可以保证单机片的计算精度，在选择合适的参数前，所测试的电容可分为两个档：① 当

0.001μF≤Cx≤0.1μF，且P3.0接高电平，P3.2接低电平时，R=R1=R3=483Ω，C3取0.01μF。② 当0.00001μF≤Cx≤0.001μF，且P3.1接高电平，P3.3接低电平时，R=R2=R3=48.3kΩ，同样C3取0.01MF。然后利用对应频率为10KHz-1000KHz，以此利用公式进行计算，得出测量的参数。2）测试仪的开关电路。在设计过程中为了实现测量类别的转化，就需要实现多路选择开关。通常采用的是电子元件来实现，可以利用74LS253这一类器件，具备双四选一的模拟型开关器。如选择了某一个通道后，这个元件的频率就是固定的，输出的频率通过电机元件的时钟源，开始计数。当计数后读出计数后除以一个参数就可以得出被测的电容所产生的频率，从而通过计算得出其值。

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3.3 读数显示电路。仪器的数字显示部分利用的是四位LED静态的显示驱动电路。这样的电路设计可以进行锁存、翻译编码、驱动功能等，为数据的存、译、驱动电路笔端测试输入LT及消隐输入BI接高电平，器件的锁存输入端LE分别接入P1.7-P1.4。当LE为低位电平时则进行译码输出，由ABCD输入端编码来决定其输出；当LE由电平位置转为高电平为，锁存状态输入端为ABCD，译码输出也就会保持原样，而且该设计具备超量程显示能力。 4 系统软件设计

在软件设计中，其实现的功能主要包括：1）芯片频率输出；2）控制测量的整个过程，单片机控制的测量程序不仅仅是对量程的识别和转换，还需要对数据进行判断和纠正，并传输，所以主控制器的工作状态的监控，是对整个系统的测试结果的准确的保证，所以应注重对测量程序的编写；3）电容的计算实现，这部分软件的功能就是通过单机片的A/D转换来得到电压计算值，从而得出电容值。

参考文献：

[1]杨金鸣，简易电容测量仪的设计与调试[J].实验科学与技术，2009，（03）. [2]任启炎.一种电阻电容测量电路的设计[J].沈阳工业学院学报，2009，（01）. [3]刘军、李智，基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术，2007，（06）.

[4]李阳，高精度微小电容测量电路的研制[J].上海计量测试，2004，（04）.

作者简介：

石庆福（1987-），邵阳学院电子科学与技术专业学生；许建明（1977-），硕士研究生，第一作者的指导老师，邵阳学院信息工程系教师。