摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的小電容測試儀，其原理是將函數(shù)發(fā)生器的外接電容看作被測電容而產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號輸出，選用TM4C123GH6PM 微控制器實(shí)現(xiàn)等精度測量頻率值，然后計(jì)算出被測電容值。為了提高準(zhǔn)確度，采用最小二乘法分段擬合曲線，同時與準(zhǔn)確度較高的LCR表進(jìn)行分段比對測試，實(shí)現(xiàn)自動修正并顯示測量結(jié)果。該測試儀測量范圍為10 pF～1 μF的小電容。測試結(jié)果表明，該測試儀具有運(yùn)行穩(wěn)定，測量快速的特點(diǎn)，準(zhǔn)確度可達(dá)1級。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0153?03

本文通過研究標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號的產(chǎn)生以及信號頻率與電容容值的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于MAX038便攜式電容測試儀。在設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字信號處理技術(shù)[1?4]和比對修正[5]方法，使得測試儀具有快速、較準(zhǔn)確地測出電容值的特點(diǎn)。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(xué)生課程設(shè)計(jì)的選題，從而使他們在實(shí)踐中成長，在改進(jìn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)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(shè)計(jì)的電容測試系統(tǒng)主要包括電源模塊、函數(shù)信號發(fā)生模塊、放大調(diào)理模塊、TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)以及顯示模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電源模塊為函數(shù)信號發(fā)生器MAX038提供±5 V電源，同時，利用低壓差線性調(diào)壓器LM1117將5 V電壓降至3.3 V，為TM4C123GH6PM 供電；MAX038函數(shù)發(fā)生器提供準(zhǔn)確的方波信號，其頻率與被測電容有關(guān)；方波信號經(jīng)調(diào)理放大后，由TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)測算出頻率，進(jìn)而推算出被測電容的容值，最后顯示在LCD屏上。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 函數(shù)信號發(fā)生器和頻段選擇

1.1.1 函數(shù)發(fā)生器MAX038

函數(shù)信號發(fā)生模塊用來產(chǎn)生一個頻率與電容相關(guān)的準(zhǔn)確信號，通過測量該信號的頻率從而計(jì)算得知電容容值。本設(shè)計(jì)采用的MAX038是一款低失真、高頻、高精度單片集成函數(shù)發(fā)生器，通過少量的外接元件可以產(chǎn)生準(zhǔn)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(diào)頻輸入電壓[UFADJ、]參考電流[IIN]及外接振蕩電容共同決定。

當(dāng)[UFADJ=]0 V時，[IIN]端與基準(zhǔn)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(tǒng)中，在盡量擴(kuò)充測量容值的前提下，MAX038的外接電阻[RIN]應(yīng)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(zhǔn)確度就會降低；以輸出頻率50 Hz為例，外接電阻[RIN]不應(yīng)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(yīng)同時兼顧[IIN]的最佳工作電流范圍；例如設(shè)定[IIN]為100 μA，可使電路產(chǎn)生的溫度系數(shù)最小。

綜合上述因素，本測試系統(tǒng)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(diào)理模塊

MAX038輸出的方波信號經(jīng)過放大調(diào)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(diào)節(jié)放大電路的增益。

1.3 TM4C123控制模塊

TM4C123GH6PM微控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)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(yīng)用最小二乘法擬合和比對修正方法準(zhǔn)確計(jì)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(nèi)部產(chǎn)生一個閘門信號，計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B在閘門信號內(nèi)分別對測量信號（方波頻率為[fx]）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號（時標(biāo)頻率為[fc]）同時計(jì)數(shù)。設(shè)在一次預(yù)置閘門時間[T]內(nèi)對方波信號的計(jì)數(shù)值為[NA，]對時標(biāo)信號的計(jì)數(shù)值為[NB，]則有：

[fx=（fcNA）NB] （2）

當(dāng)閘門信號[T=1 ]s時，被測信號的計(jì)數(shù)器數(shù)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(shí)際電路設(shè)計(jì)中省去對時標(biāo)信號頻率[fc]的計(jì)數(shù)器，僅由計(jì)數(shù)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個模塊，分別為主函數(shù)和定時中斷函數(shù)。主函數(shù)主要進(jìn)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(jì)算被測信號頻率和電容容值。定時中斷函數(shù)則用于1 s定時。系統(tǒng)主程序和定時中斷服務(wù)程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

主程序檢測到待測信號上升沿時，清零計(jì)數(shù)器，同時使能1 s定時中斷，即產(chǎn)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(jìn)行計(jì)數(shù)。閘門信號終止，計(jì)數(shù)結(jié)束，顯示方波信號頻率值，計(jì)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(zhǔn)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(shù)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(fù)測量求平均值，以減小測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。采用準(zhǔn)確度高的LCR電表進(jìn)行比對測試，以修正系統(tǒng)誤差。

圖4 利用最小二乘法分段擬合曲線

4 測試結(jié)果與誤差分析

4.1 測試原理

用高準(zhǔn)確度等級的儀器和本測試儀對同一測試源進(jìn)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(shù)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(jié)果

測試數(shù)據(jù)見表1。從測量結(jié)果可以看出，在10 pF～1 μF的范圍內(nèi)，電容的最大引用誤差值出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)值為1.037 μF的點(diǎn)上，測試精度為0.87%，則本測試儀的測量準(zhǔn)確度為1級。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié) 論

基于MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的電容測試，是將函數(shù)信號發(fā)生器的外接電容看作被測電容，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號輸出；依據(jù)外接電阻和測量頻率值計(jì)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(zhǔn)確度。測試結(jié)果表明，在10 pF～1 μF范圍內(nèi)，測試準(zhǔn)確度優(yōu)于1級。該測試儀具有快速、較準(zhǔn)確的測出電容值的特點(diǎn)，可作為一般的便攜式小電容測試儀使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇亮.便攜式電容測試儀的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2] 申忠如，郭華.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2012.

[3] 吳志堅(jiān).電容測試儀信號源的設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[4] 劉軍.基于LM3S1138高精度電阻電感電容智能測試儀的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2011.

[5] 申忠如，郭福田，丁暉.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[6] 王紅云，張淑娥. MSP430在頻率測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2007（5）：27?30.

[7] 劉軍，李智.基于單片機(jī)的高精度電容電感測試儀[J].研究與開發(fā)，2007，26（6）：48?51.

[8] 沈曉谷.采用脈沖計(jì)數(shù)法以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電容的測量[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，6（4）：290?293.

[9] 史延齡，吳強(qiáng).用測頻法測量電容量[J].計(jì)量技術(shù)，2007（2）：28?30.

[10] 裴慧卿.基于MSP430的手持式LCR數(shù)字電橋的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.