鄭麗萍

摘 要：本文所闡述的小電容簡(jiǎn)易測(cè)試儀是基于MAX038設(shè)計(jì)出來(lái)的，其設(shè)計(jì)原理是以MAX038的外接電容作為測(cè)試電容，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)輸出，由TM4C123GH6PM完成等精度測(cè)量頻率并計(jì)算所測(cè)試電容值。為了提高精度，數(shù)據(jù)用最小二乘法分段擬合，在高精度電容測(cè)試儀和簡(jiǎn)易測(cè)試儀之間進(jìn)行比較測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正并顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)試儀可以檢測(cè)10 pF～1μF的電容。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試儀運(yùn)行穩(wěn)定， 測(cè)量速度快，精度可達(dá)到一級(jí)。

關(guān)鍵詞：MAX038 小電容測(cè)試 TM4C123GH6PM 等精度頻率測(cè)量

本文通過(guò)研究標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)的生成及信號(hào)頻率和電容值之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出基于MAX038的便攜式電容測(cè)試儀。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和誤差糾正的方法，使測(cè)試儀運(yùn)行更快、更準(zhǔn)確。它不僅可以作為一般便攜式電容測(cè)試儀應(yīng)用，也可作為適合學(xué)生的課題，在實(shí)踐中反復(fù)修正達(dá)到更好。

1 硬件組件和小電容簡(jiǎn)易測(cè)試儀的工作原理

本文設(shè)計(jì)的電容測(cè)試系統(tǒng)包括電源模塊、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)和顯示模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電源模塊提供給函數(shù)發(fā)生器MAX038 ±5V的電源，同時(shí)使用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117，使電壓從5 V降至3.3 V，同時(shí)也為T(mén)M4C123GH6PM提供電源；MAX038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以提供一個(gè)精確的方波信號(hào)，其頻率與測(cè)量電容相關(guān)，該方波信號(hào)被放大后，其頻率可由TM4C123GH6PM控制系統(tǒng)估算出來(lái)，然后換算為測(cè)量電容的電容值，最后顯示在液晶屏幕上。

2 信號(hào)發(fā)生器和頻率范圍的選擇

2.1 信號(hào)發(fā)生器MAX038

信號(hào)產(chǎn)生模塊的功能是生成一個(gè)精確的信號(hào)，其頻率與電容器相關(guān)聯(lián)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的頻率，可以求出電容的值。本設(shè)計(jì)中采用的MAX038是一種低失真、高頻率、高精度的單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，它借助少量的外部組件，可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的高頻三角波、正弦波、方波，其輸出頻率范圍是0.1Hz至20 Mhz。MAX038輸出信號(hào)的頻率，依據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)和外部振蕩電容由輸入電壓UFADJ調(diào)整得到。

當(dāng)UFADJ = 0 V時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端與參考電壓的輸出終端之間連接一個(gè)電阻RIN，輸出振蕩頻率fo=UREF/RINCf。

Cf即為MAX038外接部分的待測(cè)電容。

2.2 頻率范圍的選擇

在這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，在放大的前提下，要使測(cè)量值盡可能大，外部電阻器RIN應(yīng)該滿足兩個(gè)條件：第一，MAX038的輸出頻率不能太低，否則等精度頻率測(cè)量的測(cè)量精度將降低，比如，輸出頻率為50Hz，外部電阻RIN不應(yīng)超過(guò)5 kΩ。第二，在確保輸出頻率不超過(guò)20 MHz的情況下，可以嘗試增大電阻，但也應(yīng)該考慮到系統(tǒng)的最佳工作電流范圍。基于上述因素的測(cè)試系統(tǒng)中，三個(gè)外接電阻值將外接電容測(cè)量分為兩個(gè)區(qū)間：RIN = 12.5 KΩ劃分 1μF ～ 1nF；RIN= 25 kΩ 劃分1000 pF ～ 10 pF。

3 放大調(diào)節(jié)模塊

由MAX038放大的方波信號(hào)輸出之后，其振幅被TM4C123GH6PM接收。模塊連接到同相位的AD8048放大電路，調(diào)節(jié)放大電路增益，使電容為10 pF時(shí)，由MAX038輸出3 V的電壓信號(hào)。

4 TM4C123控制模塊

由TM4C123GH6PM微控制器組成的控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：第一，使用等精度頻率測(cè)量方法測(cè)量MAX038輸出的方波頻率；第二，應(yīng)用最小二乘法擬合和一致性修正方法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算和顯示測(cè)量電容值。精密頻率測(cè)量的波形如圖2所示。

TM4C123GH6PM內(nèi)部生成一個(gè)門(mén)信號(hào)，門(mén)信號(hào)期間，計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B分別計(jì)數(shù)測(cè)量信號(hào)（方波頻率fx）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（定時(shí)頻率fc），假設(shè)在設(shè)定時(shí)間T內(nèi)，fx計(jì)數(shù)為NA，fc計(jì)數(shù)是NB?？梢缘玫剑篺x=fcNA/NB。

門(mén)信號(hào)T = 1s時(shí)，被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值NA就是被測(cè)電容頻率的輸出值，即

fx=NA。

因此，實(shí)際的電路設(shè)計(jì)不需要定時(shí)頻率fc，因?yàn)榉讲ǖ念l率可以通過(guò)計(jì)數(shù)器A獲得。當(dāng)TM4C123GH6PM把估算頻率值代入公式，就可以獲得并顯示測(cè)量的電容值。

5 電容測(cè)試儀軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)模塊，即主功能和定時(shí)器中斷功能。前者主要涉及微控制器TM4C123GH6PM，包括配置初始化，顯示控制初始化和中斷初始化；計(jì)算信號(hào)頻率和電容值。而后者主要用于定時(shí)。

當(dāng)主程序檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)的上升沿，計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)定時(shí)器中斷1秒，然后會(huì)產(chǎn)生1秒的同步信號(hào)，并對(duì)MAX038輸出的放大方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

6 最小二乘法分段擬合

為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，使用最小二乘法處理兩個(gè)測(cè)試電容器，運(yùn)用MATLAB的公式 C = a / f + b，使其形成一個(gè)擬合曲線。擬合公式參數(shù)和曲線在圖3中標(biāo)示出。擬合公式寫(xiě)入TM4C123GH6PM，可以根據(jù)不同的取值估算電容值。通過(guò)多次估算，找出平均值，以減少隨機(jī)誤差，并使用高精度測(cè)試儀進(jìn)行比較測(cè)試，糾正系統(tǒng)錯(cuò)誤。

7 測(cè)試結(jié)果和誤差分析

7.1 測(cè)試原理

用高精度的測(cè)試儀和簡(jiǎn)易測(cè)試儀分別檢查相同的測(cè)試源，比較二者的測(cè)試情況。測(cè)試原理如圖4所示。

7.2 高精度的測(cè)試儀測(cè)試情況

使用TH2821A手持LCR數(shù)字電橋作為測(cè)試儀器，電容測(cè)試范圍： 1pF～ 9999μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF ～ 999.9μF；測(cè)量精度是0.3%。

7.3 簡(jiǎn)易測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果可以看到：在10 pf ～ 1μf的范圍內(nèi)，最大誤差值出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)電容值為1.037μf時(shí)，即0.87%，該測(cè)試儀的測(cè)量精度是一級(jí)。

8 結(jié)論

基于MAX038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的簡(jiǎn)易小電容測(cè)試儀，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的外接電容作為測(cè)量電容，它可以產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)輸出，根據(jù)外部電阻的測(cè)量頻率值，我們可以計(jì)算出電容值，使用最小二乘法和一致性修正方法來(lái)提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明：在10 pf ～ 1μf的范圍內(nèi)，測(cè)試精度為一級(jí)。測(cè)試儀可以快速和更準(zhǔn)確地測(cè)量電容值，并可以作為一般便攜式小電容測(cè)試儀使用。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 劉軍、李智，基于單片機(jī)的高精度電感、電容測(cè)試[J] 研究與開(kāi)發(fā)，2007，26（6）：48-51.

[3] 沈曉顧，使用脈沖計(jì)數(shù)方法測(cè)量電容單片機(jī)[J]，上海理工學(xué)院，2006年6（4）：290 - 293.

[4] Y. Geng， J. Chen， K. Pahlavan，使用射頻信號(hào)作為第一響應(yīng)應(yīng)急操作的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，移相器項(xiàng)目，個(gè)人室內(nèi)移動(dòng)無(wú)線電通信國(guó)際研討會(huì)（PIMRC）， 英國(guó)，倫敦， 2013年9月.

[5] Y. Geng，J. He，K. Pahlavan， 基于TOA室內(nèi)人體跟蹤的人體建模影響 [J]，無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)20（4），306 – 317.

責(zé)任編輯 張 瑩