一种电容测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种测量电容容量的设备的技术，尤其是一种仿造单片机测电容的原理，利用一个由rc电路控制的不可重复性单稳态触发器的暂稳态时间去选通另一个多谐振荡器的脉冲，利用计数器来计数脉冲，而单个脉冲的脉宽相当于一个电容常量，最终得出待测电容的容量。


背景技术：

2.在电子产品的设计、生产、维修等过程中，电容的使用非常频繁，其作用也非常重要，因此电容测量这一环节同样不可或缺。通常电容的测量有以下四个方法。
3.1）利用电容器放电测电容实验原理：电容器充电后，所带电量q与两极板间电压u和电容c之间满足q＝cu的关系，u 可由直流电压表测出，q可由电容器放电测量。使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至i＝0，作出放电电流i随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电量。由c＝q／u可求出电容器的电容值。
4.2）利用放电时间比率来测电容：其测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成rc网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。测量范围从pf到几十个 nf，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有极很大的优势。
5.3）利用单片机测脉冲来测时间常数rc 再计算电容：其测量原理是把被测电容和电阻串联，构成 rc 网络，然后可利用这个时间常数去弄个振荡器，调好振荡信号的波形然后开始计数脉冲值，可能的周期为 t=a0×
rc ，a0为一个常数，可通过周期可以计算出 c 的值，这个可以用单片机来测，理论上可以从测的值可以为个n多个，大大超过前面所讲述的。
6.4）较为经典的测量方法，可以利用交流电桥的平衡原理，来测量电容或者电感。
7.可以仿造单片机测电容的原理，利用一个由rc电路控制的不可重复性单稳态触发器的暂稳态时间去选通另一个多谐振荡器的脉冲，利用计数器来计数脉冲，而单个脉冲的脉宽相当于一个电容常量，最终得出待测电容的容量。


技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、能快速、方便测量电容容量的设备。
9.为实现上述目的，本实用新型提供一种电容测量装置，其包括包括计数器选通信号电路、不可重复触发的单稳态振荡器电路、基准振荡器电路、驱动电路、调制电路、计数器电路；所述计数器选通信号电路由所述计数器电路组成，所述不可重复触发的单稳态振荡器电路由集成电路ic1及外围元件组成，所述计数器选通信号电路的输出选通脉冲信号连接所述不可重复触发的单稳态振荡器电路的输入端即ic1的5脚，ic1的6脚连接所述调制电路与非门n4的12脚，所述基准振荡器电路由与非门n1、n2、电容c1、电阻r1、r2、27m晶体组
成，所述基准振荡器电路输出基准振荡脉冲信号由所述驱动电路与非门n3缓冲、放大，n3的输出端连接所述调制电路与非门n4的13脚，n4的输出端通过缆线连接计数器电路。
10.所述不可重复触发的单稳态振荡器电路，集成电路ic1的3、4、7脚短接并且连接工作地， 5v电源依次通过电阻r3、晶体管t1的c
‑
e极连接ic1的11脚，同时 5v电源依次通过电位器r
x2
、电阻r
x1
、电容cx连接ic1的10脚。
11.所述基准振荡器电路，与非门n1的1、2脚短接，与非门n2的4、5脚短接，电阻r1跨接于与非门n1的输入端与输出端之间，电阻r2跨接于与非门n2的输入端与输出端之间，与非门n1的输出端通过27m晶体连接与非门n2的输入端，与非门n2的输出端通过电容c1连接与非门n1的输入端，与非门n2的输出端同时连接与非门n3的输入端。
12.所述驱动电路与非门n3的9、10脚短接。
附图说明
13.附图1、附图2、附图3、附图4、附图5用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，附图1 是串联电容比较电桥原理图；附图2是并联电容比较电桥原理图；附图3是单稳态触发器74121原理图；附图4是单稳态触发器74ls121的工作特性波形图；附图5是基于单稳态触发器的电容
‑
频率变换器原理图。
具体实施方式
14.用交流电桥测量电容
15.一般常用的测量电容的交流电桥电路有两种，一种是串联电容比较电桥，用以测低损耗电容，如图1所示；另一种是并联比较电容电桥，用以测高损耗电容，如图2所示，下面简单介绍二者的工作原理。
16.串联电容比较电桥（测低损耗电容）
17.图1为串联电容比较电桥，c4为标准电容（损耗可忽略），c
x
为待测电容，r2、r3、r4为无感电阻，电桥平衡条件是
[0018][0019]
另实部、虚部分别相等得
[0020]
ꢀꢀꢀ
[0021]
损耗因子
[0022][0023]
取c4、r4为可调参数，固定r2、r3，能实现分别“读数”，易于调节平衡，若用此桥测高损耗电容，要求r4很大，导致电桥灵敏度下降较多。
[0024] 1.2并联电容比较电桥（测高损耗电容）
[0025]
图2为并联电容比较电桥，c4是为标准电容， r
2 、r3和 r4为无感电阻，平衡条件是
[0026]
[0027]
损耗因子
[0028][0029]
上述两种电桥都具有如下特点：一是两组电容作比较，直观方便；二是两组电容间基本
[0030]
不存在磁场耦合，干扰较小。
[0031]
经实测，用交流电桥测量电容的实验误差比较大，根本测不准，这是因为电容的特性是通交流阻直流，采用交流电桥的话，电容必须通过电压测试和容抗测试的两级测试之后，再通过电容的库仑定律去计算出来，其中公差受到交流波形的影响，受到单向全桥的影响，受到负载的影响（交流必须要接负载，否则会出现两种现象，一种是电容过热损坏，一种是电容被单向充电，但是这种单向充电是难以通过满额来计算的）。
[0032]
所以，这种电桥测量方法就有问题，不是实验误差的问题。
[0033] 2 基于单稳态触发器的电容
‑
频率变换器
[0034]
可以尝试采用一种简单的电路产生一种脉冲串，其（平均）频率与待测电容器的值成正比。
[0035]
具体方法就是由一个不可重复触发的单稳态触发器的暂稳态输出脉冲去调制一个基准振荡器的脉冲，允许通过的被计数的脉冲数目与暂稳态时间成正比，而暂稳态时间又与rc定时器的c的容量成正比，因此，这种暂稳态期间的脉冲数可以直接加到一个计数器上，然后计数器指示出电容值（单位：10pf），即电容量c=n*10pf，其中n为计数器所计数的脉冲数。
[0036]
本设计的重点是不可重复触发的单稳态触发器电路，首先简单介绍这款电路。
[0037]
不可重复触发的单稳态振荡器
[0038]
这种不可重复触发的单稳态振荡器使用单稳态触发器74ls121，该触发器的简介如图3所示。
[0039]
74ls121的输入采用了施密特触发输入结构，所以其抗干扰能力比较强，无论是其管脚3（a1）、4（a2）（皆为下降沿触发的输入端），还是管脚5（同相施密特触发器即上升沿的输入端，该脚对于慢变化的边沿也有效），通过查阅手册可知74ls121的上升沿阈值u
it
最小2v，下降沿阈值最小0.8v。
[0040]
本设计将74ls121的3、4脚皆接地，5脚（b端）将连接频率计的选通脉冲。
[0041]
该芯片管脚10（c
ext
）和管脚11（r
ext
/c
ext
）接外部电容（c1），管脚9（r
int
）一般与管脚14（v
cc
，接＋5v）相连接，如果管脚11为外部定时电阻端时，应该将管脚9开路，把外接电阻r
11
接在管脚11和管脚14之间，单稳态触发器从6脚（q端）输出暂稳态脉宽为t
w
=r
11
*c4的稳定高电平，在暂稳态期间将允许多谐振荡器的窄脉冲通过，最终到达计数器或频率计。
[0042]
故单稳态触发器74ls121的输出端6脚（q端）电平既取决于5脚的上升沿触发信号、又受触发器本身的定时器影响，5脚的选通脉冲信号经过单稳态触发器后变成和选通信号同步的调制脉冲。
[0043]
图4所示为单稳态触发器74ls121的工作波形，由该图可看出，如在暂稳态期间（即t
w
内）再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响,因此，输出脉冲宽度t
w
不会改变，它只取决于r
ext
和c
ext
的大小，而与触发脉冲无关,因此， 74ls121为不可重复单稳态触发器。
[0044]
基于单稳态触发器的电容
‑
频率变换器原理
[0045]
这种基于单稳态触发器的电容
‑
频率变换器电气原理如图5所示，图中可见电路包括计数器选通信号电路、不可重复触发的单稳态振荡器电路、基准振荡器电路、驱动电路、调制电路、计数器电路。
[0046]
不可重复触发的单稳态振荡器电路由集成电路ic1以及外围阻容器件组成，至于晶体管t1的作用，t1工作于共集电极放大状态，故对ic1的11脚来说，晶体管t1可以看做一个极大阻值的电阻，可以使11脚加快反转为“0”电平的速度。
[0047]
单稳态触发器的脉冲宽度即暂稳态期间t
w
可由下式计算：
[0048][0049]
其中c
x
为待测电容，r
x
包括电阻r
x1
以及电位器r
x2
，若r
x
为固定值，显然暂稳态期间t
w
与待测电容c
x
成正比。
[0050]
不可重复触发的单稳态振荡器电路ic1由计数器的选通脉冲触发，即ic1的5脚信号由计数器的选通脉冲作用。
[0051]
基准振荡器电路由与非门n1、n2、石英晶体、电阻r1、r2、电容c1，构成了一个用与非门组成的晶体振荡器，电阻r1、r2分别跨接与非门n1和与非门n2的输人及输出端，起负反馈作用，使电路能很好地工作在线性区，与非门n3起缓冲、隔离、驱动的作用,并由其输出振荡信号，电路中的c1用作频率微调，该电路的特点是容易起振,频率稳定。
[0052]
基准振荡器使用一个标准的27mhz（典型的控制频带）三次泛音晶体振荡器，但是在本电路中，晶体是以9mhz左右的基频振荡的。
[0053]
单稳态触发器ic1被选通脉冲高电平触发后，ic1的10脚瞬间变为“0”，ic1的输出6脚变为“1”，基于待测电容c
x
的端电容不能突变的特性，11脚电平变为“0”，供电5v通过电阻r
x
为待测电容c
x
充电，充满电后，t1的基极电压变为“1”t1导通，11脚变为高电平，输出6脚重新反转为“0”，至此暂稳态时间结束。
[0054]
ic1暂稳态期间输出高电平“1”，基准振荡器输出的窄脉冲被ic1的6脚的高电平调制经由与非门n4反转输出，即基准脉冲的极性与n4的输出脉冲的极性相反，计数器开始计数，一旦ic1的暂稳态结束，其6脚变为“0”，与非门n4被锁定、输出恒为“1”，计数器结束计数。
[0055]
为使电路正常工作，计数器选通脉冲的周期必须比单稳态振荡器ic1的最长的周期还要长，从图5所示的元件值，单稳态振荡器最长的周期约为20ms。
[0056]
调试与校准
[0057]
校准电路时，把一个精确已知电容值的电容器跨接在待测电容c
x
的位置，并调整预调电位器r
x2
直到所指示的计数与电容值相等为止，注意电容值以10pf为单位，比如，c
x
为10n电容器，那么计数器显示1000，而不是10000，任何一种精度为1%、容量大于1000pf的镀银云母电容都可作校准用，为了使电路校准不受温度的影响，电位器r
x2
应使用优质的多匝金属陶瓷微调电阻。
[0058]
至于电容值单位为10pf的原因，主要是因为基准振荡器的周期刚好与单稳态振荡器ic1的最短的周期相当，最短周期所对应的c
x
值大约为10pf。
[0059]
在多次实际测试过程中，得出结论：经过调制以后、即与非门n4输出的脉冲串的平均频率与待测电容c
x
的值成正比，故为了测量准确，待测电容c
x
的值至少应为1000pf，即ic1的最短暂稳态期间内所通过n4的窄脉冲数必须大于100，此时对应的c
x
值为1000pf。
[0060]
故利用图5所示的元件值，本电路可以测量从1000pf到1uf的电容，减少r
x
（包括r
x1
及r
x2
）的值，测量量程还可以延伸到更高的值。
[0061]
该电容测量装置，与利用单片机测电容的原理比较相似，相比较利用电桥法测量电容具有许多优点，测量精度高、性价比高、量程相对较高，具有推广价值。