精密电容测量仪的研究与设计

黄俊

（湖南铁道职业技术学院湖南株洲 412001）

电容测量是一项很基础的研究工作，在日常的电路研究及实验中，电容作为一个使用非常频繁的电子元件，实际电路对电容的要求越来越精确，如果电容测量达不到一个很准确的水平，会直接影响到各项科技的提升和进步，因此研究电容测量技术具有非常重要的意义。当前随着电子技术的发展，电容测量技术也呈多元发展，传统的测量方法大都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，精度不高，外观不好，可靠性差。因此，高精密简易测量仪的研究十分必要。

1 方案设计

根据前面的分析，本系统采用直流电源对电容器充电，电容器电压随着时间的增长而增加，在确定的电压电流条件下通过充电时间长短就可得出电容量的大小。系统主要包括运用运算放大器电路、555信号发生器电路、计数器、数码管显示电路等。其硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2 单元电路设计

2.1 电容均匀充电电路

利用电容器能够充放电这一特性，当充电电流恒定不变时，电容器上电压充电时间的长短与电容器电容量成正比。电容量越大，充电时间越长，电容量越小，充电时间越短。根据公式：

制定电容充电电路。

此电路的关键是有一个对电容器充电的恒定电流电路。此电路中的开关S1、S2要求是同开同闭，所以在实物中采用的是组合开关，当开关断开时，运放U1A的同向输入端电位U3会等于反相输入端的电位U2。

在测量前将开关闭合，使被测电容和地短路，可将被测电容里有的电荷释放。电容器初始电压为0，让电路处于初始状态电容待测量，使得555芯片处于停振状态，也让4024计数器处于复位状态。

当开关断开，电位在电源接入状态下不断升高（从1.596 V开始升高到小于3.37 V），使得比较器输出高电平，当Q1饱和时输出电平为低电平。当电路中的U2A输出低电平，U2B输出高电平，U2C输出高电平时555开始振荡，4024开始进入计数状态。当电容器电荷充满时，555停止振荡，4024计数停止。所以电容器越大充电时间越长，计数脉冲数越多；相反，电容器越小充电时间越短，计数脉冲数越少。

所以，当开关断开，电路处于预备状态，电路待测量。当开关闭合，电路处于测量状态，电路测量数据。

图2 电容器均匀充电电路

2.2 NE555多谐振荡电路

NE555构成的多谐振荡器控制信号产生电路，如图3所示。在初始状态时Ur=0，振荡器不工作，开始测量后Ur=1，振荡器开始工作，当变化电压达到3.37 V时，振荡器又停止工作。设定振荡器工作电压在1.59～3.37 V中间。在工作电压中间长产生的脉冲数与被测电容量大小成正比。

图3 NE555构成多谐振荡电路

根据公式

设定1 μF的充电时间为0.04为以脉冲产生的周期，及充电时间就为555产生脉冲周期。被测电容器电容量有多大555将产生多少个脉冲。555电路将测出脉冲数输出到显示电路。

2.3 显示模块设计

在测量期间，振荡器所产生的脉冲个数可通过十进制计数器计数后由数码管显示出来，也可以通过二进制计数器计数后由发光二极管显示，本设计采用的是二进制计数后LED显示，如图4所示。脉冲数通过二进制计数器4024计数再通过非门驱动发光二极管，再通过发光二极管显示状态确定大小，测量范围在0～127 μF。

当电路在准备状态时，Un=0，RST=1，计数器4024处于复位状态不计数。4024输出端Q7-Q1输出为低电平经过非门反相输出后为高电平，此时发光二极管不导通。

当电路处于测量状态时，Un=1，RST=0，计数器4024处于工作状态开始计数。4024输出端根据不同的被测电容大小输出相应的大小值。

图4 结果显示电路

在这个电路中Q7及D1为电路显示最高位，Q1及D7为电路显示最低位。计数器显示读数从Q7-Q1从高到低读数。

3 系统调试与分析

在调试前需准备好调试所需直流稳压电源、电源线、实验板、被测电容器、电烙铁、焊锡丝、镊子、万用表、示波器。系统的调试首先我们对整个电路的电源电路进行检测，确认没有短路断路情况下再对电路的单元电路电压进行测试，最后将显示结果进行记录。

3.1 电源电路检测

目的：检测电源电路是否有断路、短路，看电路是否可以工作。

检测方法：将万用表打到蜂鸣档再将黑表笔放置在电路板的地接线端，将红表笔放置到每个单元电路或每个有GEN端口处，检测VCC也是同方法。

检测结果：电源电路正常，电路板电源线没问题。

3.2 电容均匀充电电路检测

目的：检测电容是否能均匀充电，主要检测电路经过LM358后电压的变化。

检测方法：将电路板接入5 V电源，放入待测量的电容器，将双位开关按下时，电路处于待测量状态，这时测量LM358的3号引脚电压是否为1.59 V，将测量结果记录。将电容器短路卸荷后，断开开关，电路进入充电测量状态，这时再用万用表测量LM358的1号引脚输出电压值，电路在充电过程电压值会在1.59～3.77 V之间，充电完毕电压值不再变化。

检测结果：电容均匀充电电路正常，电容器可完成充电，但电压值有差距。

3.3 NE555多谐振荡器控制信号产生电路检测

目的：检测电路是否可以正常产生脉冲信号，主要检测NE555芯片是否工作正常。

检测方法：电路有两个状态，当电路开关闭合时电路处于被测量状态，这时振荡器不工作没有脉冲产生。当开关断开时电路处于测量状态，这时振荡器开始工作产生脉冲，只到电压值上升到3.77时NE555不再振荡产生脉冲。

检测结果：NE555振荡控制信号产生电路能正常产生脉冲。

3.4 结果显示电路检测

目的：检测电路是否能通过LED灯正常显示测量结果。

检测方法：根据电路状态检测CC4024能否正常复位、计数，将开关闭合时LED灯不会显示开关断开时LED灯根据脉冲数显示结果。CD4069是否可以正常将输入电平发生翻转。

检测结果：LED灯能正常显示输出电平。

4 试验结果

根据前面的设计，选用3个特别常见的电容：100 μF、22 μF、47 μF 的电容进行测量，其测量结果如表1所示。

表1 电容测量表

5 结 论

本文在分析了当前电容测量仪设计所采用的方法以及各自优缺点的基础上，使用5 V直流稳压电源供电，设计了一款高精密简易测量仪，通过电容器的均匀充电电路对待测电容充电，通过充电产生的充电时长，根据充电时长与电容量成正比的关系进行电容测量，方法简单，读数直观，经过测量，精密度较高。

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