吳 瓊，孫巍巍，田明才

（1.沈陽大學(xué) 信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110044；2.東軟集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

隨著電子產(chǎn)品的普及，電容在工業(yè)器件上隨處可見，電容的測量得到了很好的發(fā)展，測量的理論和方法層出不窮.傳統(tǒng)的測量方法多采用模擬電路測量手段，主要有電橋電路、脈沖寬度調(diào)制電路、脈沖寬度調(diào)頻電路等.其中，電橋電路包括普通交流電橋、變壓電橋、二極管電橋等［1］.這些測量方式環(huán)節(jié)多，容易受零漂、溫漂的影響，尤其對小電容的測量，難以保證其精度.

本設(shè)計采用軟硬件結(jié)合的方式進行電容測量.該電容測量儀的核心思想是用恒定電流給電容均勻充電，合理設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，通過測量電容充電時間的長短確定電容值的大小.硬件電路包括電容充電電路、充電控制電路、狀態(tài)顯示電路及計數(shù)顯示電路［2］；軟件部分接口充電控制電路，通過分頻、選擇、計數(shù)、譯碼、顯示等軟件流程得到顯示信息、再接口狀態(tài)及計數(shù)顯示硬件電路，完成電容測量過程［3］.

1 電容測量原理

電容測量原理圖如圖1所示.

圖1 電容測量原理圖Fig.1 Capacitance measurement schematics

（1）復(fù)位電路.為了保證硬件電路中存在可控的放電電路部分，設(shè)計采用雙刀單擲開關(guān)，一方面，在電路初態(tài)實現(xiàn)對電容的完全放電，同時將軟件模塊清零，等待電容充電狀態(tài)的開始.

（2）充電電路.本設(shè)計以運算放大器LM 358為核心，使其工作于線性區(qū)，應(yīng)用積分電路來實現(xiàn)對電容兩端的恒流充電過程［4-5］.

在充電過程中，應(yīng)當保證充電電流恒定.當充電電流恒定不變時，隨著充電時間的增加，電容一端的電壓持續(xù)均勻升高，合理設(shè)置閾值電壓，則電容兩端充到該閾值電壓所用的時間將與電容器電容成正比，因此，可以通過充電時間的長短來測量電容值的大小.

需要注意的是，充電電壓范圍的選擇要滿足均勻充電過程，且低于電容的擊穿電壓值.

（3）比較電路.設(shè)置運放工作于非線性區(qū)，依據(jù)充電電壓與閾值電壓的相對大小關(guān)系，通過比較電路向外界輸出信號，來判斷充電完成與否，接入計數(shù)處理模塊，完成狀態(tài)識別.同時輸出控制信號，終止軟件計數(shù).

（4）計數(shù)處理模塊.接收復(fù)位信號信息，將系統(tǒng)復(fù)位清零，依據(jù)設(shè)定內(nèi)部時鐘頻率進行計數(shù)，直至接收到比較電路的終止信號時完成計數(shù)過程，計算電容值，并驅(qū)動LED于狀態(tài)顯示電路顯示.

（5）顯示電路.接收計數(shù)處理模塊輸出信號，完成LED與狀態(tài)直觀顯示功能.

2 電容充電電路的硬件實現(xiàn)

2.1 電容充電電路及分析

電阻R2、R3阻值的確定：一是要當S1斷開時，在運放UIA的反相輸入端產(chǎn)生一個合適的電壓，而形成一個對被測電容器充電的恒定電流電路；二是要產(chǎn)生一個高電平信號控制后續(xù)電路，此處選擇R2＝5.1kΩ，R3＝4kΩ，滿足上述要求.電容充電電路圖如圖2所示.

圖2 電容充電電路圖Fig.2 Capacitor charging circuit diagram

在開始測量前，將S1、S2閉合，S2閉合將被測電容的電荷全部放掉，使得電容器初始電壓為0；S1閉合是給后續(xù)的軟件模塊一個復(fù)位信號，軟件模塊清零.t＝0時刻，S1、S2同時斷開，開始測量.

運放LM 358配合R1、R2、R3與被測電容C組成積分電路，實現(xiàn)對電容器的恒定電流充電.其中

2.2 比較電路模塊

UIB構(gòu)成比較器，比較電壓為3.53V，比較電壓的大小是由電阻R5、R6決定的，也可以選用其他電阻而改變比較電壓.需要注意的是，比較電壓必須大于運放UIA輸出端初始電壓，而且不能太接近.變化范圍就是UIA的輸出電壓（從2.20V逐漸增加）到比較電壓3.53V.初始狀態(tài)，輸出端輸出的是高電平，但當變化電壓增加到3.53V時，輸出端輸出低電平.可見，輸出高電平時，表示電路處于測量過程中，電容正在充電；輸出低電平時，表示電路處于飽和階段，測量結(jié)束.比較電路電路圖如圖3所示.

圖3 比較電路電路圖Fig.3 Comparator circuit

2.3 電容的計算

將U1＝2.2＋43×10-3t／C 代入終止條件（閾值電壓3.53V），得

其中，T為系統(tǒng)計數(shù)脈沖頻率.為使得LED數(shù)碼管能更直觀地顯示電容的容量值，保證脈沖計數(shù)個數(shù)和被測電容值相同，取計數(shù)脈沖周期0.03s，頻率32Hz.此時

數(shù)碼管顯示的計數(shù)個數(shù)就等于電容的容量值，實現(xiàn)了直觀顯示.

3 電容充電電路的軟件設(shè)計

本電容測量儀的軟件部分使用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)［6-8］.

3.1 Clk時鐘頻率提供模塊

各個模塊對于時鐘的要求各不相同，例如，計數(shù)電路所需要的脈沖信號就遠遠小于顯示電路的高頻掃描信號；多位七段LED數(shù)碼顯示器為了得到較好的顯示質(zhì)量，需要保證掃描循環(huán)周期低于20ms（頻率大于50Hz）.為了對各子模塊提供合適的時鐘信號，設(shè)計中設(shè)置分頻模塊，對高頻信號進行恰當分頻，滿足各個模塊對clk時鐘信號的不同要求.分頻模塊VHDL程序仿真圖如圖4所示.

圖4 分頻模塊仿真圖Fig.4 Frequency module simulation Figure

3.2 充電狀態(tài)顯示電路模塊

電容處于充電狀態(tài)和飽和狀態(tài)，軟件部分的工作方式是截然不同的.在設(shè)計中，依據(jù)輸入信號的不同狀態(tài)，產(chǎn)生兩個輸出指示信號，用來顯示硬件電路的工作狀態(tài).充電狀態(tài)的顯示電路通過本模塊的兩個輸出端口分別接兩個LED燈，輸入狀態(tài)的不同直接決定了輸出狀態(tài)的不同，同時存在一個穩(wěn)定的、與輸入信號相同的輸出信號，作為后續(xù)電路的輸入信號.指示模塊VHDL程序仿真圖如圖5所示.

圖5 充電狀態(tài)指示模塊仿真圖Fig.5 Charge status indicator module simulation

由圖5可見，在時鐘clk的作用下，當輸入a為高電平時，輸出LED2為高電平，輸出LED1為低電平；輸入a為低電平時，則正好相反.時鐘輸出信號b與a保持相同.與程序設(shè)計的初始目的相同.

3.3 計數(shù)電路模塊

計數(shù)模塊在時鐘信號的作用下工作，記下電容充電過程中所經(jīng)歷的時鐘信號周期數(shù)，得到對應(yīng)的充電時間.通過電容均勻充電時間的長短，通過相關(guān)計算和轉(zhuǎn)換而得到電容的容量值.

計數(shù)模塊是軟件設(shè)計模塊中的核心模塊，包括兩個輸入端：reset為復(fù)位信號，由硬件輸入端提供，硬件閉合（低電平）對此模塊進行清零操作，斷開（高電平）開始計數(shù)；clk是指示模塊和分頻模塊通過與非門電路產(chǎn)生的時鐘信號，通過對該時鐘信號計數(shù)，得到充電時間.計數(shù)模塊VHDL程序仿真圖如圖6所示.

圖6 計數(shù)模塊VHDL程序仿真波形Fig.6 Counting module VHDL procedures simulation waveforms

3.4 譯碼顯示模塊

選用七段數(shù)碼管對測量電容值進行顯示，程序采用掃描顯示方式，分為譯碼和掃描兩部分.譯碼部分是對計數(shù)模塊輸出的數(shù)據(jù)譯碼成七段數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)，掃描部分通過高頻時鐘分時點亮各個數(shù)碼管，輪掃位選.

顯示模塊VHDL程序如圖7和圖8所示.

圖7 位選信號的仿真輸出Fig.7 Bit-select signal simulation output

圖8 段選譯碼的仿真波形Fig.8 The segment select decode simulation waveform

3.5 軟件模塊總體連接圖及各引腳說明

圖9為上文所述的所有軟件模塊的連接圖，總體模塊圖由4個模塊組成，即分頻模塊、指示模塊、計數(shù)模塊和顯示模塊.

圖9 軟件設(shè)計模塊連接圖Fig.9 Software design module connection diagram

如圖9所示的連接圖包括2個輸入接口和4組輸出接口.其中，輸入信號u0接硬件電路的比較電路輸出端，輸入信號u1接充電電路下面的輸出信號，輸出信號LED1接硬件電路中的LED燈1，輸出信號LED2接硬件電路中的LED燈2，輸出信號temp［3..0］分別接八位七段數(shù)碼管的四位掃描接口，輸出信號seg7［6..0］分別接八位七段數(shù)碼管的顯示控制接口.

圖10為軟件設(shè)計部分總體仿真波形全圖.從圖10可以看出，在輸入信號u0，u1的作用下，軟件部分實現(xiàn)了完整的功能.

圖10 軟件設(shè)計部分總體仿真波形全圖Fig.10 Full map of the overall simulation waveforms of software design part

4 結(jié) 語

本文以電容測量儀為研究內(nèi)容，使用一種軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)了對電容的測量.硬件部分通過運放電路、比較電路的使用，完成了電容的恒定電流充電過程，為電容的測量提供了硬件基礎(chǔ)；設(shè)定充電電壓閾值，由CPLD采集信息，通過VHDL軟編程完成充電時間的累加；應(yīng)用LED數(shù)碼管，接收CPLD輸出信號，實現(xiàn)電容值的直觀顯示，完成電容測量過程，為電容測量提供了新的解決思路.

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