VHDL电容测量仪的设计与实现

吴 琼，孙巍巍，田明才

（1.沈阳大学 信息学院，辽宁 沈阳 110044；2.东软集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110179）

随着电子产品的普及，电容在工业器件上随处可见，电容的测量得到了很好的发展，测量的理论和方法层出不穷.传统的测量方法多采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路、脉冲宽度调制电路、脉冲宽度调频电路等.其中，电桥电路包括普通交流电桥、变压电桥、二极管电桥等［1］.这些测量方式环节多，容易受零漂、温漂的影响，尤其对小电容的测量，难以保证其精度.

本设计采用软硬件结合的方式进行电容测量.该电容测量仪的核心思想是用恒定电流给电容均匀充电，合理设定系统参数，通过测量电容充电时间的长短确定电容值的大小.硬件电路包括电容充电电路、充电控制电路、状态显示电路及计数显示电路［2］；软件部分接口充电控制电路，通过分频、选择、计数、译码、显示等软件流程得到显示信息、再接口状态及计数显示硬件电路，完成电容测量过程［3］.

1 电容测量原理

电容测量原理图如图1所示.

图1 电容测量原理图Fig.1 Capacitance measurement schematics

（1）复位电路.为了保证硬件电路中存在可控的放电电路部分，设计采用双刀单掷开关，一方面，在电路初态实现对电容的完全放电，同时将软件模块清零，等待电容充电状态的开始.

（2）充电电路.本设计以运算放大器LM 358为核心，使其工作于线性区，应用积分电路来实现对电容两端的恒流充电过程［4-5］.

在充电过程中，应当保证充电电流恒定.当充电电流恒定不变时，随着充电时间的增加，电容一端的电压持续均匀升高，合理设置阈值电压，则电容两端充到该阈值电压所用的时间将与电容器电容成正比，因此，可以通过充电时间的长短来测量电容值的大小.

需要注意的是，充电电压范围的选择要满足均匀充电过程，且低于电容的击穿电压值.

（3）比较电路.设置运放工作于非线性区，依据充电电压与阈值电压的相对大小关系，通过比较电路向外界输出信号，来判断充电完成与否，接入计数处理模块，完成状态识别.同时输出控制信号，终止软件计数.

（4）计数处理模块.接收复位信号信息，将系统复位清零，依据设定内部时钟频率进行计数，直至接收到比较电路的终止信号时完成计数过程，计算电容值，并驱动LED于状态显示电路显示.

（5）显示电路.接收计数处理模块输出信号，完成LED与状态直观显示功能.

2 电容充电电路的硬件实现

2.1 电容充电电路及分析

电阻R2、R3阻值的确定：一是要当S1断开时，在运放UIA的反相输入端产生一个合适的电压，而形成一个对被测电容器充电的恒定电流电路；二是要产生一个高电平信号控制后续电路，此处选择R2＝5.1kΩ，R3＝4kΩ，满足上述要求.电容充电电路图如图2所示.

图2 电容充电电路图Fig.2 Capacitor charging circuit diagram

在开始测量前，将S1、S2闭合，S2闭合将被测电容的电荷全部放掉，使得电容器初始电压为0；S1闭合是给后续的软件模块一个复位信号，软件模块清零.t＝0时刻，S1、S2同时断开，开始测量.

运放LM 358配合R1、R2、R3与被测电容C组成积分电路，实现对电容器的恒定电流充电.其中

2.2 比较电路模块

UIB构成比较器，比较电压为3.53V，比较电压的大小是由电阻R5、R6决定的，也可以选用其他电阻而改变比较电压.需要注意的是，比较电压必须大于运放UIA输出端初始电压，而且不能太接近.变化范围就是UIA的输出电压（从2.20V逐渐增加）到比较电压3.53V.初始状态，输出端输出的是高电平，但当变化电压增加到3.53V时，输出端输出低电平.可见，输出高电平时，表示电路处于测量过程中，电容正在充电；输出低电平时，表示电路处于饱和阶段，测量结束.比较电路电路图如图3所示.

图3 比较电路电路图Fig.3 Comparator circuit

2.3 电容的计算

将U1＝2.2＋43×10-3t／C 代入终止条件（阈值电压3.53V），得

其中，T为系统计数脉冲频率.为使得LED数码管能更直观地显示电容的容量值，保证脉冲计数个数和被测电容值相同，取计数脉冲周期0.03s，频率32Hz.此时

数码管显示的计数个数就等于电容的容量值，实现了直观显示.

3 电容充电电路的软件设计

本电容测量仪的软件部分使用VHDL语言设计实现［6-8］.

3.1 Clk时钟频率提供模块

各个模块对于时钟的要求各不相同，例如，计数电路所需要的脉冲信号就远远小于显示电路的高频扫描信号；多位七段LED数码显示器为了得到较好的显示质量，需要保证扫描循环周期低于20ms（频率大于50Hz）.为了对各子模块提供合适的时钟信号，设计中设置分频模块，对高频信号进行恰当分频，满足各个模块对clk时钟信号的不同要求.分频模块VHDL程序仿真图如图4所示.

图4 分频模块仿真图Fig.4 Frequency module simulation Figure

3.2 充电状态显示电路模块

电容处于充电状态和饱和状态，软件部分的工作方式是截然不同的.在设计中，依据输入信号的不同状态，产生两个输出指示信号，用来显示硬件电路的工作状态.充电状态的显示电路通过本模块的两个输出端口分别接两个LED灯，输入状态的不同直接决定了输出状态的不同，同时存在一个稳定的、与输入信号相同的输出信号，作为后续电路的输入信号.指示模块VHDL程序仿真图如图5所示.

图5 充电状态指示模块仿真图Fig.5 Charge status indicator module simulation

由图5可见，在时钟clk的作用下，当输入a为高电平时，输出LED2为高电平，输出LED1为低电平；输入a为低电平时，则正好相反.时钟输出信号b与a保持相同.与程序设计的初始目的相同.

3.3 计数电路模块

计数模块在时钟信号的作用下工作，记下电容充电过程中所经历的时钟信号周期数，得到对应的充电时间.通过电容均匀充电时间的长短，通过相关计算和转换而得到电容的容量值.

计数模块是软件设计模块中的核心模块，包括两个输入端：reset为复位信号，由硬件输入端提供，硬件闭合（低电平）对此模块进行清零操作，断开（高电平）开始计数；clk是指示模块和分频模块通过与非门电路产生的时钟信号，通过对该时钟信号计数，得到充电时间.计数模块VHDL程序仿真图如图6所示.

图6 计数模块VHDL程序仿真波形Fig.6 Counting module VHDL procedures simulation waveforms

3.4 译码显示模块

选用七段数码管对测量电容值进行显示，程序采用扫描显示方式，分为译码和扫描两部分.译码部分是对计数模块输出的数据译码成七段数码管的显示数据，扫描部分通过高频时钟分时点亮各个数码管，轮扫位选.

显示模块VHDL程序如图7和图8所示.

图7 位选信号的仿真输出Fig.7 Bit-select signal simulation output

图8 段选译码的仿真波形Fig.8 The segment select decode simulation waveform

3.5 软件模块总体连接图及各引脚说明

图9为上文所述的所有软件模块的连接图，总体模块图由4个模块组成，即分频模块、指示模块、计数模块和显示模块.

图9 软件设计模块连接图Fig.9 Software design module connection diagram

如图9所示的连接图包括2个输入接口和4组输出接口.其中，输入信号u0接硬件电路的比较电路输出端，输入信号u1接充电电路下面的输出信号，输出信号LED1接硬件电路中的LED灯1，输出信号LED2接硬件电路中的LED灯2，输出信号temp［3..0］分别接八位七段数码管的四位扫描接口，输出信号seg7［6..0］分别接八位七段数码管的显示控制接口.

图10为软件设计部分总体仿真波形全图.从图10可以看出，在输入信号u0，u1的作用下，软件部分实现了完整的功能.

图10 软件设计部分总体仿真波形全图Fig.10 Full map of the overall simulation waveforms of software design part

4 结 语

本文以电容测量仪为研究内容，使用一种软硬件结合的方式实现了对电容的测量.硬件部分通过运放电路、比较电路的使用，完成了电容的恒定电流充电过程，为电容的测量提供了硬件基础；设定充电电压阈值，由CPLD采集信息，通过VHDL软编程完成充电时间的累加；应用LED数码管，接收CPLD输出信号，实现电容值的直观显示，完成电容测量过程，为电容测量提供了新的解决思路.

［1］ 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（3）：110-112.（Yang Jinfeng，Liu Ming.Designing and Debugging Simple Instrument for Capacitance Measuring［J］.Experiment Science ＆ Technology，2005（3）：110-112.）

［2］ 邬春明，刘海维.隔离病房监控系统设计［J］.沈阳大学学报：自然科学版，2012（3）：56-59.（Wu Chunming，Liu Haiwei.Design of Isolation Ward Monitoring System［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2012（3）：56-59.）

［3］ 吴琼，张明，田明才.基于有限状态机的Morse码识别算法的 VHDL实现［J］.沈阳大学学报，2011（3）：1-4.（Wu Qiong，Zhang Ming， Tian Mingcai. Discerning Algorithm of Morse Code with VHDL Based on Finite State Machine［J］.Journal of Shenyang University，2011（3）：1-4.）

［4］ 沈晓谷.采用脉冲计数法以单片机实现电容的测量［J］.上海应用技术学院学报：自然科学版，2006（4）：290-293.（Shen Xiaogu. Capacity Measure of Single-chip Microcomputer by Using Pulse Counting［J］.Journal of Shanghai Institute of Technology：Natural Science，2006（4）：290-293.）

［5］ 邵学涛，李新娥.振荡式微小电容测量电路［J］.电子测试，2011（1）：50-53.（Shao Xuetao， Li Xin’e. Measuring circuit with the oscillating micro-capacitance［J］.Electronic Test，2011（1）：50-53.）

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［7］ 李洋.EDA技术实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.（Li Yang.Technology of EDA［M］.Beijing：Machinery Industry Press，2009.）

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