电容测量有关资料

摘要：本文介绍了一个简单的数字式电容值测试仪的设计思想及硬件结构。51单片机作为核心处理芯片，利用电容的充放电原理，接一个比较器，当充电电压上升到基准电压的2/3时，比较器翻转，单片机计算比较器从测量开关开始按下，到比较器翻转的时间，按照电容充电的公式计算出被测电容值。显示器采用七段共阴数码管。该测试仪具有结构简单，成本低廉，精度较高，方便实用等特点。关键词：电容；比较器；单片机；测试仪Abstract:Thispaperintroducesasimpledigitalcapacitaneetesterdesignandhardwarearchitecture.51single-chipmicrocomputerasthecoreprocessingchip,usingtheprincipleofcapacitorchargeanddischarge,andthenacomparator,whenthechargingvoltageuptothereferencevoltageof2/3,thecomparatorflip,single-chipcomparatorcalculatedfromthemeasuredswitchingtoembarkontheunderthetimereversalcomparato,inaccordancewiththecapacitorchargingformulatocalculatethevalueofthemeasuredcapacitanee.Seven-Segmentdisplayusingdigitaltubewereovercast.Thetesterhasasimplestructure,lowcost,highaccuracy,convenientandpracticalandsoon.Keywords:capacitanee;comparators;singlechip;Tester目录1概述-3-1.1设计目标-3-1.2电容特性-3-1.3常见的电容测试方法-4-1.4本设计思路-12-2相关设计软件及关键芯片简介-12-MCS-51单片机简介-12-PROTEUS仿真软件简介-14-KEIL编译及调试软件简介-15-LED的工作原理-16-LED数码管的工作原理-17-3电容测量仪硬件电路的实现-18-3.1电路模块框图-18-3.2测量及触发电路-19-3.3档位选择电路-20-3.4LED显示电路-21-3.5整机电路设计-21-4电容测量仪的软件设计-22-4.1主程序流程图-22-4.2测量子程序流程图-23-4.3显示子程序流程图-24-5结束语-25-致谢-25-5.2参考书目-25-6附录1：整机原理图-26-7附录2：程序清单-26-1 概述1.1 设计目标基于proteus仿真系统，设计一个数字电容测量仪测量范围：lOOOpF-IOOOOpF显示方法：数码管显示精度：测量精度要求I0pF(准确值以万4表的测量值为准)电容特性1.2.1 常用电容的结构和特点常用的电容器按其介质材料可分为电解电容器、云母电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容等。主要性能指标标称容量和允许误差：电容器储存电荷的能力，常用的单位是F、uF、pF。电容器上标有的电容数是电容器的标称容量。电容器的标称容量和它的实际容量会有误差。常用固定电容允许误差的等级见表2。常用固定电容的标称容量系列见表3。一般，电容器上都直接写出其容量，也有用数字来标志容量的，通常在容量小于100OOpF的时候，用pF做单位，大于10000pF的时候，用uF做单位。为了简便起见，大于100pF而小于1uF的电容常常不注单位。没有小数点的，它的单位是pF，有小数点的，它的单位是uF。如有的电容上标有“332”(3300pF)三位有效数字，左起两位给出电容量的第一、二位数字，而第三位数字则表示在后加0的个数，单位是pF。额定工作电压：在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。如果在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。（关键知识点，注意哦）常用的固定电容工作电压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V、1000V。由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上，电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻，大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电电阻越大越好。介质损耗：电容器在电场作用下消耗的能量，通常用损耗功率和电容器的无功功率之比，即损耗角的正切值表示。损耗角越大，电容器的损耗越大，损耗角大的电容不适于高频情况下工作。1.3 常见的电容测试方法1.3.1 充/放电电容测量电路充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。图］充/■放电电容检测电路由CMOS开关S1,将未知电容Cx充电至Ve,再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve・Cx,在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve・Cx・f,该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf・Im=Rf・Ve・Cx・f（Rf为检波器的反馈电阻）。充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。

伍）电略伍）电略團2羞动式亶谨充/放电电跚Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容（通过分析可知，它们不影响电容Cx的测量）。S1-S4是CMOS开关，S1和S3同步，S2和S3同步，它们的通断受频率f的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为Vo=2KRVCf （1）fex式中，K为差分放大器D3的放大倍数。该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。缺点是电路采用的是直流放大，存在较大的漂移;另外，充/放电是由CMOS开关控制，所以存在电荷注入问题。目前该电路已成功应用于6、&12电极的ECT系统中。其典型分辩率可达3*10-15F。1.3.2图2AC电桥电容测量电路AC电桥电容测量电路如图3所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。

丽3AC电桥电容劃■电路图3电路的缺点是无自动平衡措施，为此可采用图4所示的自动平衡AC电桥电容测量圈4自AMBAC电桥电容誕量电踣该系统输出Vd为一直流信号，AC为传感器的电容变化量。匕M=(<?a+AC™C,■豆嚅)*田普■陌・却⑵式中，2/n为相敏因子。结合平衡条件，在理论上输出Vd可写成V/AC)AC・旬*才•咼•叙(3}获得该电桥的自动平衡过程的步骤为：保证电桥未加载时AC=0，测量电桥非平衡值并利用公式(3)计算出电桥输出为零时所需的反馈信号Ve的值。重新测量桥路的输出，若输出为零，则桥路平衡；若输出不为零，重复上述测量步骤，直至桥路输出为零，即桥路平衡为止。该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也不一定理想。通过实验测得其线性误差能达到±1*10-1F。交流锁相放大电容测量电路交流型的C/V转换电路基本原理如图5所示。正弦信号Ui(t)对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf,和运放组成的检测器D转换成交流电压Uo(t)：若jcRfCf>>1,则(4)式为4(E)—孰⑴ ⑴式(5)表明，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*1O-1F。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。电容式传感器具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛应用。例如在气力输送系统中，可以用电容传感器来获得浓度信号和流动噪声信号，从而测量物料的质量流量；在电力系统中，采用电容传感器在线监测电缆沟的温度，确保使用的安全；由英国曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成分和流量检测的有效途径，其中微小电容测量是关键技术之一。电容传感器的电容变化量往往很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达O.OIpF,属于微弱电容测量，系统中总的杂散电容(一般大于100pF)远远大于系统的电容变化值，且杂散电容会随温度、结构、位

置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。1.3.4 充/放电电容测量电路充/放电电容测量电路基本原理如图1所示。a矿L_rL_nj?邑厂LT"LT~L图i充■/放电电容检測电路由CMOS开关S1,将未知电容Cx充电至Ve,再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve・Cx,在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve・Cx・f,该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf・Im=Rf・Ve・Cx・f（Rf为检波器的反馈电阻）。充/放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路，如图2所示。S2畫动式臺谨克/故电电蹄Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容（通过分析可知，它们不影响电容Cx的测量）。S1-S4是CMOS开关，S1和S3同步，S2和S3同步，它们的通断受频率f的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为Vo=2KRVCffex式中，K为差分放大器D3的放大倍数。该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。缺点是电路采用的是直流放大，存在较大的漂移;另外，充/放电是由CMOS开关控制，所以存在电荷注入问题。目前该电路已成功应用于6、&12电极的ECT系统中。其典型分辩率可达3*10-1F。1.3.5图2AC电桥电容测量电路AC电桥电容测量电路如图3所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。曲3AC电桥电容込■电路图3电路的缺点是无自动平衡措施，为此可采用图4所示的自动平衡AC电桥电容测量电路。圈斗自AMBAC电桥电容需量电踣该系统输出Vd为一直流信号，AC为传感器的电容变化量。匕M +AC™C,■豆嚅)*田■牛…陌・弓1⑵式中，2/n为相敏因子。结合平衡条件，在理论上输出Vd可写成V/AC)=氐・旬*勒、%•知(3}% '比获得该电桥的自动平衡过程的步骤为：保证电桥未加载时AC=0，测量电桥非平衡值并利用公式(3)计算出电桥输出为零时所需的反馈信号Ve的值。重新测量桥路的输出，若输出为零，则桥路平衡；若输出不为零，重复上述测量步骤，直至桥路输出为零，即桥路平衡为止。该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也不一定理想。通过实验测得其线性误差能达至驻1*10-1F。1.3.6交流锁相放大电容测量电路交流型的C/V转换电路基本原理如图5所示。图5交建电容測■电瞎正弦信号Ui(t)对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf,和运放组成的检测器D转换成交流电压Uo(t)：若jcRfCf>>1,则(4)式为4⑷…孰⑷ ⑴式(5)表明，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*1O-1F。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限。1.4 本设计思路本文介绍了一个简单的数字式电容值测试仪的设计思想及硬件结构。51单片机作为核心处理芯片，利用电容的充放电原理，接一个比较器，当充电电压上升到基准电压的2/3时，比较器翻转，单片机计算比较器从测量开关开始按下，到比较器翻转的时间，按照电容充电的公式计算出被测电容值。显示器采用七段共阴数码管。该测试仪具有结构简单，成本低廉，精度较高，方便实用等特点。2 相关设计软件及关键芯片简介2.1 MCS-51单片机简介2.1.1单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一'个51单片机的最小系统电路图(图1 )：

图1765斗bukkkr?-765斗bukkkr?-DQ 2LE 110111空「、辽214 °15n舟18J19-^0P1.7P2J0P1J6P2.1P1JP22P1.4P23P13P2.4P12P2JP1.1P2j6P1J0P2.70ALEEAINTRiCi/P3^POJOMTRl/P汩P0.1TIhtER0/P3.4pmTIMER1/P3JP03P0.4RD回.7POJKTALi!PLUS:KTAL1P0.7PSEHRSTAT39C512223242526272830、Hl03938373635343332（1） 复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u,R取10K。原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。（2） 晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇，方便定时操作），在本电路中，取12M。（3） 单片机：一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。1) AT89C51单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个(Vcc和GND),晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。29脚PSEN,30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：P0端口P0.0-P0.7共8个；P1端口P1.0-P1.7共8个；P2端口P2.0-P2.7共8个；P3端口P3.0-P3.7共8个；2.2 Proteus仿真软件简介ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件［9］。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有:68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，ProteusARES主要用于PCB设计。ISIS的主界面主要包括：1是电路图概览区、2是元器件列表区、3是绘图区。绘制电路图的过程如下：单击2区的P命令即弹出元器件选择(PickDevices)对话框，Proteus提供了丰富的元器件资源，包括30余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利用该对话框提供的关键词(Keywords)搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果(Results)中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK按钮，返回主界面。接着在2区中选中某一个元器件名称，直接在3区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3区。由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完成在2区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（ EditComponent）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“X”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“X”，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用1区的绿色边框对3区的电路进行定位。2.3 Keil编译及调试软件简介目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为卩Vision（通常称为yV2）。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：^VisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、0H51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保一建立工程并添加源文件——设置工程一编译/汇编、连接，产生目标文彳一程序调试oKeiI使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File—New...,在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open...,直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—NewProject..,建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup„SourceGroup1'”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）°加入文件后点close返回主界面，展开“Source

Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Targetl，再选择Project—OptionforTargetnargetL（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug一Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11或选择Debug—Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug—StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug—InlineAssambly...）,不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/RemoveBreakpoint或Debug一Breakpoints...等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB,但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。2.4 LED的工作原理LED是一种较为常用的发光元件。目前以LED为发光元件而研制的显示屏应用可作为实时工业控制系统中的远距离实时信息显示器，对高要求的工艺流程进行实时显示。目前，LED显示器的主要形式有两种，一种是能够显示各种字符、汉字和图像信息的阵列式LED。另一种则是只能显示0〜9这10个阿拉伯数字及少数几个英文字母的数码式LED,即八段数码管。尽管阵列式LED从功能上来说完全取代数码式LED,但由于前者的成本造价要比后者高得