基于MAX038的簡易小電容測試儀設計

摘 要： 設計了一種基于MAX038函數信號發生器的小電容測試儀，其原理是將函數發生器的外接電容看作被測電容而產生相應的頻率信號輸出，選用TM4C123GH6PM 微控制器實現等精度測量頻率值，然后計算出被測電容值。為了提高準確度，采用最小二乘法分段擬合曲線，同時與準確度較高的LCR表進行分段比對測試，實現自動修正并顯示測量結果。該測試儀測量范圍為10 pF～1 μF的小電容。測試結果表明，該測試儀具有運行穩定，測量快速的特點，準確度可達1級。

關鍵詞： MAX038； 小電容測試； TM4C123GH6PM； 等精度測頻

中圖分類號： TN710?34； TP211+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0153?03

本文通過研究標準函數信號的產生以及信號頻率與電容容值的關系，設計了一種基于MAX038便攜式電容測試儀。在設計中，采用了數字信號處理技術[1?4]和比對修正[5]方法，使得測試儀具有快速、較準確地測出電容值的特點。它不僅可作為一般的便攜式電容測試儀使用，而且更適合作為學生課程設計的選題，從而使他們在實踐中成長，在改進設計的創新中成才。

1 簡易小電容測試儀的硬件組成及工作原理

本文設計的電容測試系統主要包括電源模塊、函數信號發生模塊、放大調理模塊、TM4C123GH6PM控制系統以及顯示模塊，其系統結構如圖1所示。其中，電源模塊為函數信號發生器MAX038提供±5 V電源，同時，利用低壓差線性調壓器LM1117將5 V電壓降至3.3 V，為TM4C123GH6PM 供電；MAX038函數發生器提供準確的方波信號，其頻率與被測電容有關；方波信號經調理放大后，由TM4C123GH6PM控制系統測算出頻率，進而推算出被測電容的容值，最后顯示在LCD屏上。

圖1 系統原理框圖

1.1 函數信號發生器和頻段選擇

1.1.1 函數發生器MAX038

函數信號發生模塊用來產生一個頻率與電容相關的準確信號，通過測量該信號的頻率從而計算得知電容容值。本設計采用的MAX038是一款低失真、高頻、高精度單片集成函數發生器，通過少量的外接元件可以產生準確的高頻三角波、正弦波、方波等，輸出頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz。MAX038輸出信號的頻率由調頻輸入電壓[UFADJ、]參考電流[IIN]及外接振蕩電容共同決定。

當[UFADJ=]0 V時，[IIN]端與基準電壓輸出端REF之間外接一電阻[RIN，][IIN=UREFRIN。]輸出振蕩頻率為：

[f0=UREF（RINCF）] （1）

式中[CF]即為外接在MAX038上的被測電容。

1.1.2 頻段選擇

本測試系統中，在盡量擴充測量容值的前提下，MAX038的外接電阻[RIN]應滿足兩個條件：

（1） MAX038的輸出頻率不宜過低，否則等精度測頻的測量準確度就會降低；以輸出頻率50 Hz為例，外接電阻[RIN]不應大于5 kΩ。

（2） 保證輸出頻率不超過20 MHz，可盡量取阻值較大的電阻，但應同時兼顧[IIN]的最佳工作電流范圍；例如設定[IIN]為100 μA，可使電路產生的溫度系數最小。

綜合上述因素，本測試系統中取三種外接阻值將電容測量分為兩個檔位：取[RIN=]12.5 kΩ用于1 μF～1 nF檔；取[RIN=]25 kΩ用于1 000～10 pF檔。

1.2 放大調理模塊

MAX038輸出的方波信號經過放大調理模塊后，幅值放大到TM4C123GH6PM可接受的幅值范圍。該模塊采用AD8048接成同相比例放大電路，按照MAX038外接10 pF電容的輸出信號，幅值放大到3 V左右調節放大電路的增益。

1.3 TM4C123控制模塊

TM4C123GH6PM微控制器構成的控制系統主要實現兩個功能：一是采用等精度測頻法[6?9]測量MAX038輸出的方波信號頻率；二是應用最小二乘法擬合和比對修正方法準確計算并顯示被測電容值。

等精度測頻的工作波形如圖2所示。由TM4C123GH6PM 內部產生一個閘門信號，計數器A和計數器B在閘門信號內分別對測量信號（方波頻率為[fx]）和標準頻率信號（時標頻率為[fc]）同時計數。設在一次預置閘門時間[T]內對方波信號的計數值為[NA，]對時標信號的計數值為[NB，]則有：

[fx=（fcNA）NB] （2）

當閘門信號[T=1 ]s時，被測信號的計數器數值[NA]就是在接入被測電容后的頻率輸出值，即：

[fx=NA] （3）

因此，實際電路設計中省去對時標信號頻率[fc]的計數器，僅由計數器A就可以獲得方波頻率。TM4C123GH6PM將測得的頻率值代入推算公式即可得出被測電容值并顯示。

圖2 等精度測頻的工作波形圖

2 電容測試儀的軟件設計

系統軟件設計包括兩個模塊，分別為主函數和定時中斷函數。主函數主要進行微控制器TM4C123GH6PM配置初始化、顯示控制初始化以及中斷初始化，計算被測信號頻率和電容容值。定時中斷函數則用于1 s定時。系統主程序和定時中斷服務程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件工作流程圖

主程序檢測到待測信號上升沿時，清零計數器，同時使能1 s定時中斷，即產生一個1 s的同步閘門信號，對MAX038輸出的已放大的方波信號進行計數。閘門信號終止，計數結束，顯示方波信號頻率值，計算并顯示電容值。

3 最小二乘法分段擬合

為了提高測試儀的準確度，將2檔待測電容分別采用最小二乘法[10]在Matlab上按照公式[C=af+b]擬合曲線。擬合公式參數及分段曲線如圖4所示。將擬合好的公式寫入TM4C123GH6PM，可按不同檔位測得電容值，并通過多次重復測量求平均值，以減小測量系統的隨機誤差。采用準確度高的LCR電表進行比對測試，以修正系統誤差。

圖4 利用最小二乘法分段擬合曲線

4 測試結果與誤差分析

4.1 測試原理

用高準確度等級的儀器和本測試儀對同一測試源進行比對測試，從而確定出該測試儀的測試等級。測試原理框圖如圖5所示。

圖5 測試原理框圖

4.2 測試儀器

測試儀器選用TH2821A手持式LCR數字電橋，電容測試范圍：100 Hz，120 Hz：1 pF～9 999 μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF～999.9 μF；測試精度為0.3%。

4.3 測試結果

測試數據見表1。從測量結果可以看出，在10 pF～1 μF的范圍內，電容的最大引用誤差值出現在標準值為1.037 μF的點上，測試精度為0.87%，則本測試儀的測量準確度為1級。

表1 測試結果

5 結 論

基于MAX038函數信號發生器的電容測試，是將函數信號發生器的外接電容看作被測電容，產生相應的頻率信號輸出；依據外接電阻和測量頻率值計算出被測電容值。采用分檔最小二乘法擬合和比對修正方法，提高了測試準確度。測試結果表明，在10 pF～1 μF范圍內，測試準確度優于1級。該測試儀具有快速、較準確的測出電容值的特點，可作為一般的便攜式小電容測試儀使用。

參考文獻

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