数字式电容测量仪设计

1、收稿日期 2011- 03- 27作者简介 张玉芹 ( 1981- ) , 女, 硕士研究生 ,韶关 学院物理与机电工程学院教 师 ,主 要从事大学 物理教学 和低维量子系统研究工作。数字式电容测量仪设计张玉芹 , 洪远泉( 韶关学院 ,广东 韶 关 512005)摘要介绍了一种基于单片机的数字式电容测量仪设计方案。采 用 555芯片构 成单稳态触 发器 , 将电容容量转换为脉冲宽度 。通过单片机测量脉宽, 计 算容量 , 控制 液晶屏 显示结 果。系统测 量范围 10pf 500uf, 具有量程自动切换功能 。关键词电容测量 ; 脉冲宽度 ; 单稳态触发器 ;单片机design of dig

2、ital capacitance measuring apparatuszhang yu qin,hong yuan quanabstractthe paperintroducesa kind of designschemeof digital capacitance measuringapparatus. the valueof capaci tanceisconvertedto pulseswidth by monostable flip flopwhich consistsof 555timers.it usessinglechip microcompu ter to measurepu

3、lseswidth, computecapacitanceand controllcd to showthe results.the systemcanmeasure the capaci tancefrom10 picofaradto 500microfaradandhasthe functionof switchingrangeautomatically.key wordscapacitance measure;pulsewidth;monostableflip flop;scm中图分类号tm932文献标识码a文章编号1674- 3229(2011)03- 0052- 03电容容量是电学理

4、论分析与电路设计中的重要参数。电容容量测量的主要方法有电桥平衡法、谐振频率测量法或脉冲宽度测量法等等。交流电桥虽然测量准确 , 但存在笨重、 操作繁琐、 不能自动测量的缺陷。笔者在文中提出了基于单片机控制的数字式电容测量仪的设计方案, 如图 1 所示。 单稳态触发器接收单片机的窄脉冲触发信号trig, 输出一个脉冲宽度与待测电容cx的容量成正比的信号vo。 单片机通过检测vo高电平持续时间来计算电容大小,并将结果显示在液晶屏上。测量过程中 , 通过控制单稳态触发器的充电电阻阻值, 实现 10pf 500uf范围内电容的测量和量程的自动切换。1测量原理系统测量的电路原理图如图2 所示。电路主要由

5、单片机u1、 ne555 定时芯片u2和检测电容cx组成。 ne555 定时器芯片的6 脚与 7 脚相连 , 与电阻r和待测电容cx组成单稳态触发电路。由图 2可知 , ne555定时器内部主要由电阻分压器、 电压比较器op1op2、 与非门 g1g3、 输出缓冲反相器g4和集电极开路的三极管t 组成。g1、g2构成基本rs 锁存器。 电阻 r1和电容c1构成ne555 定时器的上电自动复位电路。 复位 之后 , g3522011年 6 月廊坊师范学院学报( 自然科学版 )jun.2011第 11卷第 3 期journalof langfang teacherscollege(naturnal

6、scienceedition)vol. 11 no.3的输出为高电平, 三极管 t 处于饱和状态 , 待测电容cx被短路。单片机 p37引脚在上电时的默认电平是高电平。可见 , 上电复位后 , 比较器 op1、 op2的输出为高电平 , r =s =1, rs 触发器处于保持状态,单稳态触发器输出稳态0。系统需要测量时, 单片机的p37引脚上输出负向窄脉冲vtr控制单稳态触发器进入暂态, 即可实现一次测量。 工作时序图如图3 所示。vtr电平变低后,比较器op2的输出为低电平。 此时 , s =0, r =1, rs触发器处于置1 状态 , 单稳态触发器进入了暂态 1。 g3输出的低电平使三极

7、管t 截至 , 电源通过电阻 r 开始对待测电容充电, 如图 3 的 vcx波形所示。当 vcx上升到电源电压的三分之二后, 比较器op1翻转 , 使得 r = 0。 由于 vtr的脉冲宽度为t1, 在 vcx升到三分之二电源电压前已经拉高。此时 , r =0, s= 1, 单稳态触发器的暂态1 结束 ,返回到稳态0, 暂态的持续时间为tw, 如图 3 的 vo波形所示。在暂态期间, 如果 vtr的低电平宽度变为t2, vcx到达翻转点后还没有变高, 基本 rs触发器就会进入到r = 0,s= 0的禁止状态 , 输出 vo的波形无法预测, 测量出错误结果。因此 , 要保证 t1tw。根据 rc

8、 暂态电路理论可知,tw的时间宽度计算公式为tw=ln3rcx1. 1rcx( 1)由式 ( 1) 可知 , 单稳态的暂态1持续时间与待测电容 cx的容量成正比 1 2。 把输出信号vo送到单片机的int 0引脚 , 控制定时器0 计算出暂态1 期间的标准时钟个数, 就可实现脉冲宽度测量, 从而计算出电容容量。2电容测量误差分析电容测量的误差主要由ne555 定时器构成的单稳态触发电路的非线性误差t 、 计数器的量化误差n 和标准计数脉冲的频率偏移tc产生2 3。 因此有:cc=tt+nn+tctc( 2)系统采用 的标准计数脉冲来自单片机内核时钟, 由片外的高精度晶振与片内电路自激振荡产生,

9、频率非常稳定,可以忽略其频偏对测量结果的影响。量化误差n 是数字电路的特有误差, 最坏的情况下等于1。 如采用 12m 的晶振 , 可获得 1mhz 的标准计数脉冲 , 量化产生的最大误差为1微秒。通过设置充电电阻r 的阻值 ,使 tw达到毫秒级时 , 量化误差的影响非常小, 可以忽略。非线性误差是由器件的非线性特性产生的, 可通过硬件参数修正和软件算法补偿来减小。3量程范围设置系统采用单片机片内16位的定时器测量tw的宽度 , 标准计数脉冲的周期为1 微秒时 , 为确保计数器不发生溢出,要求 tw 1 微秒。 当 tw100微秒 以上时 , 可 忽略量化误差的影响。为 满足10pf 500u

10、f的测量范围 , 可通过设置不同充电电阻 r 的阻值来实现。 理论计算的电阻r 阻值、理论量程范围以及系统选择的量程范围如表1 所示。系统分为四个量程, 可测量 10pf 500uf的电容。测量时电 阻 r 的 选 择 通 过 单 片 机 控 制 模 拟 乘 法 器cd4052实现。表 1r 值与量程范围的关系r 值( 欧)理论量程范围选择的范围10m9pf 5. 9nf10pf5nf100k900pf 590nf5nf 500nf1k90nf 59uf0. 5uf 50uf100900nf 590uf50uf 500uf4软件设计系统软件在keilv2 平台下用 c51语言编写程序设计完成。

11、实现测量启动、脉宽测量、 数值优化、结果显示与量程选择等功能。主程序流程图如图4所示。系统上电后, 先对液晶屏、 定时器进行初始化。然后等待按键的操作控制, 完成测量方式选择、量程设定、系统校准等操作和测量启动控制。启动测量后 , 对测出的脉冲宽度进行判断。对于手动模式, 如果有溢出 , 则提示溢出警告, 返回主界面 ; 对于53第 11 卷第 3 期张玉芹等 : 数字式电容测量仪设计2011年 6月自动模式 , 自动判断量程是否合适, 如果不合适,更改量程后重新测量。结果显示之前, 根据系统设置要求进行数值优化处理。采用极值剔除、算术平均等优化算法 , 进行数字滤波,减小测量误差 4。具体程

12、序略。5结束语设计方案经过protues7.5 软件 的仿真测试, 实现了 10pf 500uf电容的测量。0. 1uf 以上容量的测量相对误差低于1% 。系统采用了单片机智能控制技术 , 具有电路简单、操作 方便和测量准确等优点。既可作为物理电子实验教学中的一般教学测量仪器 , 也可作为物理电子类学生课程设计的教具, 培养学生的实践创新能力。参考文献 1 杨志忠 ,华沙 , 康广 荃. 电子技 术课程设 计 m. 北京 : 机械工业出版社 ,2008:173- 176.2 杨金峰 ,刘 鸣. 简易 电容测 量仪 的设 计与 调试 j . 实验科学与技术 ,2005,( 9) :110- 11

13、2.3 刘克刚 ,陈曦 , 等. 复杂 电子系 统设计与 实践 m . 北 京:电子工业出版社,2010.4 李群芳 , 张士 军, 等. 单 片微 型计 算机 与接 口技 术( 第 3版) m .北京 : 电子工业出版社,2008.( 上接 48页)图 5 所示仿真逻辑输出结果实现了两个不同稳态的转 换过程 中要插 入暂态 的功能。其中clk 为fpga 时钟 , a 为 dsp给出的单相负载与三相电源的连接状态 , c 为输出逻辑。根据表1 可知应该编辑6个图 4 所示的状态转换图, 从而根据输入电压比较信号进行区间判断并进行状态转换程序的切换便可以完全实现表1 的功能 , 实现电压型换流

14、策略的目的。如图 6 所示 , 加电压区间判断仿真逻辑输出,其中 en为电压区间判断信号,结果可以看出不同的扇区判断信号, 相同的dsp输入信号 , 输出有变化 , 符合理论要求。5结论针对矩阵变换器的换流过程, 提出了一种基于fpga的电压型半自然两步换流策略和实现方法,最后进行了仿真验证。仿真结果表明, 用 fpga 实现该换流策略是可行的, 为进一步提高矩阵变换器的换流可靠性提供了理论依据。参考文献 1wheeler p, clare j, empringhaml. enhancementof matrixconverterou tput waveformquality using minimizedcommutationtime