一種電容測量單元電路及其實現原理

王 深 福州大學物理與信息工程學院；福建理工學校

一種電容測量單元電路及其實現原理

王 深 福州大學物理與信息工程學院；福建理工學校

電容測量；單片機

在電子電路的設計與制作中，通常都要用到電容元件。這些電容元件的種類各異，容量不一，而其容量的大小對電路性能則有著重要的影響。在現階段，對電容容量進行測量的方法主要有電橋平衡法、諧振頻率測量法和脈沖寬度測量法等［1］。電橋式電容測量儀雖然精度較高，但是其較大的體積和重量不便于日常攜帶，且操作較繁瑣。本文提出了一種基于單片機控制的電容測量單元電路，可實現對數十皮法到上千微法范圍電容容量的精確測量。

1.硬件電路設計與元器件參數

1.1 電容測量單元電路

本方案的電容測量單元電路設計如圖1所示。

圖1 電容測量單元電路

電阻R4（或R5）與被測電容組成RC充電電路，被測電容與三極管VT2的C、 E極組成電容放電電路。單片機引腳（P2.6）控制三極管VT1的導通或截止從而控制繼電器實現R4、 R5之間的接入切換。 P3.3用于控制三極管VT2的導通或截止從而控制電容放電電路的接通或斷開。調節電位器RP1，使電壓比較器IC2的3腳電位保持在3.16V，當IC2的2腳電位高于3.16V時，其1腳（接P3.0）輸出低電平'0'，從而實現對電容充電到目標電壓的實時監測。

1.2 元器件參數

電容測量單元電路的各元器件參數如表1所示。

表1 元器件參數

2.電容測量的實現原理

本設計基于單片機控制實現對電容容量的測量，具體操作步驟及測量原理說明如下：

⑴在CJ3的兩端接入被測電容器Cx；

⑵若是小容量電容（Cx＜10μF），則選擇R5與Cx組成RC充電電路；若是大容量電容（Cx≥10μF），則選擇R4與Cx組成RC充電電路；

⑶當單片機檢測到P3.0引腳的低電平'0'信號后，立即關閉定時器并記錄充電時間，然后接通電容放電電路（P3.3=1），保持約1秒，保證被測電容放電完畢（兩端電壓為0V）；放電完成后，斷開電容放電電路（P3.3=0），工作電壓5V開始經由R4或R5對被測電容進行充電，同時啟動單片機定時器重新開始計時；

⑸數據處理，換算得到被測電容的對應容量并送數碼管或液晶屏顯示；

⑹循環⑶～⑸的過程，對被測電容器的容量進行反復測量并送顯示。

3.數據處理算法

根據被測電容器容量與充電時間之間的關系，在本設計中，采用特定的數據處理算法以得到有效的電容器容量結果，具體說明如表2所示。

表2 電容器容量的換算方法

其中，對于小電容測量，定時器時基設為20μS，對于大電容測量，定時器時基則設為200μS， cnt是定時器的重復次數。

4.結束語

本文針對專用電容測量儀價格昂貴、操作不便的不足，提出了一種基于單片機控制的電容測量單元電路，其具有工作穩定、測量精度高、體積小、制作成本低的特點，能夠滿足日常電子產品裝配與調試中對電容容量測量的使用需求。

王深，性別：男，福建省福州市人，1985年出生，學歷：本科，職稱：福建理工學校機電專業助理講師，研究方向：電子技術應用。

本文闡述了一種基于單片機控制的電容測量單元電路的設計實現方案，詳細介紹了硬件電路、元器件參數以及電容容量測量的步驟和原理。

［1］ 張玉芹，洪遠泉.數字式電容測量儀設計［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2011（3）：52-54.