謝廣偉

摘要：本文通過比較幾個方案，選擇把C轉(zhuǎn)換成頻率信號f，用單片機運算求出C值，并送顯示。這種數(shù)字化處理便于儀表實現(xiàn)智能化。另外，為了提高頻率測量的精確度以及擴展電容測量的范圍，在單片機及555電路中加入一些控制電路。

關(guān)鍵詞：電容 頻率

中圖分類號：TM934.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0167-01

1 前言

目前，測量電子元件的集中參數(shù)C的儀表種類較多，方法也各不相同，這些方法都有其優(yōu)缺點。

（1）能測量電器元件C的最典型的方法是電橋法。通過調(diào)節(jié)阻抗使電橋平衡，用這種測量方法調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋平衡的判決亦難于用簡單的電路來實現(xiàn)。（2）Q表是用諧振法來測量C值，它可以在工作頻率上進(jìn)行測量。但是，這種測量方法要求頻率連續(xù)可調(diào)，直至諧振。因此它對振蕩器的要求較高，調(diào)節(jié)和平衡判別很難實現(xiàn)智能化。（3）用阻抗法測C有兩種實現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電壓；用恒壓源供電，測元件的電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，適用測量范圍都較窄。（4）很多儀表都是把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量?；诖怂悸?，我們把電子元件的集中參數(shù)C轉(zhuǎn)換成頻率信號f，轉(zhuǎn)換的原理是RC振蕩，然后用單片機計數(shù)后再運算求出C值。[1]通過比較選用第四種方案。

2 設(shè)計思路及原理框圖

本電路是針對不同的待測電容和NE555組成多諧振蕩電路，產(chǎn)生不同的頻率信號。由單片機初測頻率量，然后判斷電容的取值范圍，向繼電器發(fā)出信號，選擇RC振蕩電路的R值，使多諧振蕩電路工作于合適的頻率范圍。再由單片機89C51計算頻率，由于頻率與不同的電容有線性關(guān)系，最后由液晶模塊1602A顯示出來。

3 電路各部分解析

3.1 多諧振蕩器的電路分析

多諧振蕩器電路部分，在待測電容（Cx）10p-10u的范圍內(nèi)，為使振蕩頻率保持在10～100kHz需選擇合適的R的參數(shù)值。為了擴充其測量范圍，可用單片機通過繼電器作轉(zhuǎn)換控制。自動轉(zhuǎn)換原理：單片機在第一次頻率的測量中發(fā)現(xiàn)頻率過大（或過?。?，通過繼電器轉(zhuǎn)換切換檔位，再測頻率。

剛通電的時候，由于電容Cx上的電壓不能突變，那二腳電位的起始電平為地電平，使NE555置位，3腳輸出呈高電平，Cx通過R1、R2或R3、R4對其充電，電容Cx的充電時間為：T1=（R1+R2）*Cx*In2。

當(dāng)電容Cx上的電壓沖到閥值電平2/3Vcc時，555復(fù)位，3腳輸出轉(zhuǎn)呈低電平，此時Cx通過R2放電，放電時間為：T2=R2*Cx*In2

電路的振蕩周期為：T=（T1+T2）=（R1+2R2）*Cx*In2[2]

當(dāng)R1=R2時，振蕩頻率為：f=1/T=1/3R1*Cx*In2

理論上， Cx=1/3R1*f*In2

3.2 單片機帶同步控制的頻率測量[3]

單片機對頻率量的測量有兩種方法：測頻率法和測周期法，在這里選用測量頻率法。測量頻率法的可將頻率脈沖連接到單片機的T1端，可將80C51的T/C0用作定時器，T/C1用作計數(shù)器。在T/C0定時時間內(nèi)，對頻率脈沖進(jìn)行計數(shù)。T/C1的計數(shù)值便是單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)。

在定時計數(shù)的時候，由于單位時間的起始時刻與結(jié)束時刻對信號是隨機的。因此，會出現(xiàn)如圖1所示的丟失脈沖個數(shù)的情況。第一個丟失的脈沖，是由于開始檢測的時候，定時開始時刻與輸入脈沖上升沿時刻不一致，正脈沖寬度已小于機器周期T；第二個丟失的脈沖是由于脈沖的負(fù)跳變在定時之外，出現(xiàn)脈沖丟失，引起測量精度的降低。頻率脈沖越低，這種誤差將越大。

為了解決第一個脈沖的丟失，可用門電路實現(xiàn)計數(shù)的開始與脈沖上升沿的同步控制。用80C51的T/C0用作定時器，T/C1用作計數(shù)器。對頻率的脈沖用帶同步控制的頻率測量法的接口電路。

工作時，首先由P15發(fā)一個清零正脈沖，使兩個D觸發(fā)器復(fù)位，其輸出封鎖與門。接著由P14發(fā)一個啟動正脈沖，其有效上升沿使ICD：B觸發(fā)器Q端輸出為“1”，同時開放IC&：B與門。之后，被測脈沖上升沿通過ICD：A觸發(fā)器，使其輸出為“1”，同時開放IC&：A與門，送T1計數(shù)。同時，ICD：A觸發(fā)器輸出的高電平使INT0=1；定時器0的門控GATE有效。啟動T/C0定時器開始定時。直到定時結(jié)束，從P15發(fā)一個清零正脈沖，封鎖兩個D觸發(fā)器，從而停止T/C1計數(shù)，完成一次頻率采樣的過程。

在測量過程中，定時器T/C0定時時間為500ms，先由T/C0定時50ms，之后，軟件10次中斷后的時間即為50*10=500ms。T/C0定時時間50ms的計數(shù)初值為03B0H。計數(shù)器1采用16位計數(shù)。設(shè)T/C0為高優(yōu)先級，允許計數(shù)中斷過程中定時中斷，即定時時間到就中止計數(shù)。

4 測量報告（表1）

5 結(jié)語

本儀表具有功能強，性能可靠，體積小，電路簡單的特點。通過繼電器作量程轉(zhuǎn)換，又具有智能化特點。但設(shè)計的這種把元件參數(shù)轉(zhuǎn)換為頻率后測量的方法也有不足之處，仍然需要作進(jìn)一步的研究和討論。下面是幾點改進(jìn)的意見：第一，單片機在帶同步控制的頻率測量中，如果電路再改進(jìn)一下就可以消除關(guān)門的誤差。第二，如果要測量范圍增大，可加入一些分頻電路。第三，由于軟件無論高頻低頻都只是采用測頻的方法，如果在低頻采用測周，高頻用測頻，那么可以使測量更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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