便攜式微小電容測試儀的設計

段文浩，馬 鑫，耿衛國

(北京航天試驗技術研究所,北京 100074)

0 引言

在測量液體火箭發動機試驗臺貯箱中液位計的電容值時需要用臺式電容變換儀，該儀器體積大并且需要接220 V交流電源，使用該儀器到貯箱頂部進行測量極為不便。另外，該儀器所測數據不能快速讀出，需要一段時間待其結果穩定后才能讀數，使得現場的測試工作費時費力。現有美國制造的手持式電容測試表，但不具有三端測量功能，所測結果不準確[1]，不能滿足現場測試需要。為此需要設計一種具有快速、精確、便攜和低成本特點的便攜式電容測試儀，作為現場維修調試專用測試設備。

根據液位計電容值測量的需要，設計開發了手持式電容測試儀，該電容測試儀采用已有的三端法測量(第三端為屏蔽防護端)，可以消除由導線引入的分布電容，其電容檢測電路充分考慮電容傳感器的引線電容、電路設計的寄生電容以及環境變化等影響因素，并輔以MSP430單片機的數字化修正，克服了小電容測量中寄生電容及環境對電容傳感器的干擾，實現了pF級微小電容的測量。

1 電容檢測原理

常見的電容測量電路有：充/放電電容測量電路、AC電橋電容測量電路、比例運放式電容測量電路、基于V/T變換的電容測量電路、基于電荷放大原理的電容測量電路以及一些專用集成電路電容測量芯片，如CAV424等。相比較而言，比例運放式電容測量電路是目前實驗室應用最好的檢測電路，這種電路的特點是響應速度快、抗雜散性好、分辨率高，由于采用交流放大器，所以具有低漂移、高信噪比特點，但電路較復雜，成本高。

采用比例運放式測電容法進行電容-電壓轉換能夠較為理想地消除長線分布電容的影響[2-5]。比例運放式測電容的原理示意圖如圖1所示。

US—正弦波信號源電壓有效值；U1—運算放大器；U0—輸出信號電壓有效值；C0—長線分布電容；A—屏蔽層；C1—待測電容；C2—標準電容。圖1 比例運放式測電容的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of proportional operational amplifier test capacitance

如圖1所示，在正弦波信號源內阻很小，U1輸入阻抗很高且輸出阻抗很小時，C0兩端的電位相等，也就是說，通過將傳輸電纜的屏蔽層與儀器的地電位信號相連接，這種接線法使傳輸電纜的芯線與屏蔽層等電位，消除了芯線對屏蔽層的容性漏電，從而去除了分布電容的影響。圖2是電容檢測電路的原理框圖[6]。

圖 2 電容檢測電路的原理框圖Fig.2 Block diagram of the capacitance detection circuit

圖2 中電容-電壓變換電路仍采用圖1所示的比例運放電路，以消除長線影響。此時，左側極板為激勵電極；右側極板為檢測電極。對電路進行分析可知：

(1)

(2)

由于US,C2已知，因此可根據測得的U0計算出C1。

2 硬件設計

設計的測試儀表分為三個模塊：電容檢測模擬電路模塊、微處理器數字電路模塊和電源模塊。待測傳感器的電容值先經過電容檢測電路，在模擬電路中對此信號進行C-V變換、精密檢波、濾波等處理后輸出直流電壓信號，然后進入單片機內部的ADC轉化成數字信號，再由單片機進行數字信號的處理，最后由單片機控制液晶顯示器顯示電容值。系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 便攜式微小電容測試儀系統結構框圖Fig.3 System block diagram of portable miniature capacitance tester

2.1 電容檢測電路

電容檢測電路中的放大器均選用OPA277[7-8],放大電路的增益通過設計的電位器進行調節，接待測電容的一端接文氏振蕩電路，另一端依次為C-V變換、絕對值檢波、濾波、有效值校正電路,相比使用DDS器件產生正弦激勵信號，該檢測電路具有電路結構簡單、幅度穩定及調節靈活的特點[9]。電路中多處使用電位器的目的是為了進行精確調節，特別是文氏振蕩電路中，若使用固定阻值的電阻取代電位器，由于電阻阻值的精度問題，很難保證兩個電阻的阻值完全相同，會使起振波形失真。設計的電容檢測電路能夠測量10～9 999 pF范圍內的微小電容，精度可達1 pF。電容檢測電路為模擬電路，設計時模擬地要與數字地分開，最后通過一個0 Ω的電阻連接。

2.2 數字電路部分

數字電路部分的核心是微處理器，選用自帶A/D轉換器的電壓輸入型微處理器MSP430，該系列微處理器是一種16位超低功耗的混合信號處理器，其工作電壓可低至1.8 V，在待機模式下的功耗僅為1.1 μA，非常適用于便攜式儀表[10-11]。設計中綜合考慮是否具有FLASH存儲器和A/D轉換功能等因素，選擇MSP430F449作為系統的控制單元，其內部自帶12位的A/D轉換器，擁有60KB+256B的Flash Memory。顯示模塊選用全點陣液晶顯示器LCD12864，可通過字模提取軟件顯示漢字。

2.3 電源系統模塊

系統需要+15 V，-15 V以及+3.3 V的電源來分別給模擬電路(電容檢測電路)和數字電路(MSP430F449、LCD12864、外部存儲器)供電，可以使用一節9 V電池作為系統的電源，9 V電壓經過LM317穩壓芯片得到5 V，再分別經過A0515S-3W和AMS1117-3.3得到±15 V和3.3 V的電壓，其輸入輸出框圖如圖4所示。另外本設計還配備了Micro-USB接口，可外接充電寶為系統供電。由于模擬電路功耗較大，需選用A0515S電源模塊的3 W型號才能保證該模塊不會出現過熱的情況。

圖4 電源輸入輸出框圖Fig.4 Power input and output block diagram

3 軟件設計

軟件開發環境使用IAR公司的Embedded Workbench IDE，系統中單片機的任務是掃描按鍵，然后根據掃描結果控制A/D采集電容檢測電路輸出的電壓值，再將該電壓值換算成對應的電容值，最后控制液晶顯示器顯示該電容值。所設計的軟件應能滿足硬件方面提出的要求，根據前面的任務要求，軟件設計包含以下幾項工作：

1)初始化。包括各輸入輸出端口的初始化、所需變量的定義以及設置寄存器的初始值；

2)按鍵掃描子程序。即用ADC的一個通道識別按鍵的不同狀態，然后設置狀態標志；

3)測量子程序。啟動AD轉換器，在ADC中斷向量中對轉換數據進行提取，計算32次轉換結果的算數平均值并保存；

4)顯示子程序。將電容值通過LCD12864顯示出來，根據校準系數計算實際電容值，然后按位提取并逐一顯示成4位數字，最大可顯示9 999 pF。系統的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 系統調試

調試包括硬件電路調試和軟件功能調試。先進行硬件電路的調試再進行微處理器軟件功能的調試。硬件電路調試主要是調試電容檢測電路輸出所需的電壓值，基本調試方法是通過外接標準電容，使其輸出電壓1 mV對應1 pF；軟件功能調試包括三方面：測試系統運行的可靠性；動態數據采集的輸入、輸出、實時顯示；對測量數據濾波、計算電壓值、數據線性修正等進行處理。

5 測量結果

用所設計的測量儀對1 000～6 000 pF范圍的6個電容進行抽查檢測。在基準電容C2=5 000 pF時, 測得輸出電壓與電容量的對應曲線如圖6所示。

圖6 輸出電壓與電容量的對應曲線圖Fig.6 Output voltage and capacitance curve

實驗結果經回歸分析, 判定系數R2為0.996 8(R為相關系數), 趨勢線估計值與實際數據擬合程度較好。

為了確定測量的準確度以及三端測量法測量帶長線纜的電容式傳感器的實際效果，用1 000～6 000 pF范圍的6個標稱電容進行抽檢,具體方法為用美國Andeen Hagerling公司生產的高精度電容電橋AH2500A測量標稱電容，然后用手持式測試儀測量連接長線纜的標稱電容，兩組數據進行對比，結果如表1所示 。

表1 電容測量結果對比

從表1中可見，在1 000～6 000 pF范圍內的6個標稱電容，測試儀的測量誤差不超過1%。

6 結束語

筆者設計的手持式電容測試儀，以現有的電容傳感器檢測電路的成熟技術為基礎，配以MSP430單片機作為測量儀器的主控制器，設計出具有12位分辨率、LCD顯示且具有三端測量功能的測量系統，它將計算機技術與檢測技術結合在一起，實現了測量過程的智能化。經實際運行檢驗，通過采用微處理器進行數字化修正處理可以進一步提高電容測試儀的測量精度，該儀器不僅可測量10～9 999 pF 范圍內的微小電容，還可用于測量帶有傳輸線纜的電容式傳感器，如火箭發動機試驗臺貯箱內電容式液位計的測量。另外，根據調研市面上的手持式電容測試儀都是用兩端法測量，而本裝置采用的是三端測量法，因此具有更高的測量精度和準確度。