电容容量的精确测量Word格式文档下载.docx
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555振荡器；
单片机
II
Abstract
Thisdesignmainlyresearchcapacitancemeasurement.Capacitorintheelectroniccircuitiswidelyused,itssizeontheperformanceofthecircuithasanimportantroleinpromotingthedevelopmentoftechnologyandproductionhaveimportantapplications.Inthemeasurement,capacitancemeasurementisabasicobject.Capacitancemeasurementsinrecentyearsbeenpromotingawiderangeofapplications,Moreandmorepeopleathomeandabroadstudycapacitancemeasurementtechniques,effortstoimproveitsaccuracy.Capacitancemeasuringcircuitisdesignedtofacilitatetheaccuratemeasurementofcapacitanceperformance.Now,withthemicrocontrollertechnologycontinuestomature,withasinglechiptomeasurethecapacitancewillbemoreaccurateandintelligent.
Thisdesignusesapulsecountingmethodtomeasurethecapacitance.PulsecountingmethodistoconvertthecapacitorCthroughtheRCthree-pointoscillationintofrequencysignalf,soputanalogtodigital,andthenintothesinglechipcount.AfterthedataprocessingandaseriesofcalculatedoperationsfindthecapacitanceC,andsenttodisplay.
Capacitancemeasurementsinagriculture,materials,machinery,processcontrolandpipelinedetectionhavewideapplicationareas,andforpromotingthedevelopmentofproductiontechnologyhaveimportantapplicationvalue.
Keywords Capacitance;
Measure;
555oscillator;
singlechipmicrocomputer
目录
IV
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2研究现状 1
1.3发展趋势 3
1.4本论文的主要工作 4
第2章电容容量测量的原理和设计要点 5
2.1电容的基本知识 5
2.2电容测量原理简介 6
2.3本论文的测量原理 7
2.4本论文的设计要点 7
2.5本章小节 8
第3章电容测量电路设计 9
3.1总体设计 9
3.2RC振荡电路设计 9
3.2.1555振荡电路 9
3.2.2电容分档测量电路 12
3.2.3测量电路中电阻的选择 13
3.3数字部分电路设计 14
3.3.1单片机的选择 14
3.3.2单片机时钟电路设计 18
3.3.3单片机的复位电路设计 20
3.3.4单片机的定时器/计数器设置 21
3.4各接口电路设计 24
3.4.1RC振荡器与单片机的接口电路设计 24
3.4.2单片机与显示器的接口电路设计 24
3.5本章小结 25
第4章电路仿真和误差分析 26
4.1模拟电路部分仿真 26
4.2数字电路软件设计部分 26
4.3误差分析 28
4.3.1电阻误差分析 28
4.3.28051测频法的误差分析 31
4.3.3单片机定时器中断时间误差的分析及补偿 31
4.3.4电容测量电路的分辨率 32
4.4本章小结 33
结论 35
参考文献 36
第1章绪论
1.1课题背景
电容是构成电路最基本、最常用的元件。
在电子系统设计中，电容的精确测量对开发高质量的电子产品具有重要意义。
在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性[1]。
在测量领域，电容容量是一个基本的测量对象。
电容在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。
物质的某些物理或化学特性往往与电量信号有着紧密联系，例如溶液中某种成分的浓度与电容存在一定的对应关系。
当物质的特性发生变化时，与它相关的电信号也会发生变化[2]。
因此，可以根据这种电量与非电量之间的关系进行测量，获得期望的非电量信号，如通过测量中药溶液中的电容值，获得与之对应的某种成分的浓度信息，以实现中药生产过程的实时监控等。
研究电容测量技术，可以测量物性、湿度、水分、密度、液面高度、距离等。
现在已经出现了相应的检测仪器，称之为物性分析仪表，例如电容式湿度计、电容式水分计、电容式密度计、电容式液面高度计等等。
因此，此课题对我们日常生活有极其重要的作用。
随着工业体系对测量技术的要求越来越高，电容测量电路的设计是为了准确的测量电容性能。
当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。
基于无线电技术的发展与普及，频率已经成为广大群众所熟悉的物理量。
而单片机的出现更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，其小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要的地位。
为此，本文给出了一种用单片机进行频率测量的电容测量电路。
23
1.2研究现状
电容容量测量近年来得到大范围的推广应用。
国内外越来越多的人研究电容测量技术，努力提高其精度。
电容在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。
通过测量极板电容器的电容量可以获得极板问电介质材料的介电常数、极板间距等重要参数，在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等领域有着广泛的应用，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。
测量电容被测量的方法各有不同，在过去电容的测量系统中，几乎都是根据普通的电路原理，用一些常规的方法来测量的，它们各有其优缺点，比如把它作为阻抗的虚部来测量的，还有充电法，比例法等等，一般都存在计算复杂、精度不高、不易实现自动测量而且很难实现智能化[2]。
现在随着单片机技术的不断成熟，用单片机去测量电容容量会更精确，智能化。
下面是国内外的一些电容测量仪产品：
国外的：
美国安捷伦Agilent 4268A电容测试仪能以恒定的高电平测试信号高速测量大数值的多层陶瓷电容器，符合IEC384-10标准。
120Hz测量能对达
600μF提供恒定1V测试信号。
美国安捷伦Agilent 4288A电容测试仪按照工业标准进行改进后，这种新型电容测试仪可以为生产线测试提供更小的占地面积、更高的精度以及更快的批量测试能力。
TES（泰仕）生产的TES-1500型电容表，精度0.5%，规格0.1pF-
20,000μF。
国内的：
同惠仪器电容测量仪TH2618B是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。
该产品可提供至10kHz的典型测试频率及四档分选功能，尤其适用于生产线快速测量，该产品具有强有力的抗冲击保护能力，解决了长期以来电容测量仪冲击保护能力差这一困扰使用者的顽症。
完善的HANDLER接口可以方便地应用于元件自动分选系统。
常州市惠发电子有限公司生产的多频电容测量仪其特点如下：
六个典
型测试频率，最高频率1MHz，整机可靠性、稳定性强，适用于小电容、晶体管结电容的测量，最高达20次/秒的测试速度，自行诊断故障功能。
深圳市欧凯特电子有限公司生产的TH2617型电容测量仪是一种高精度、宽测试范围的电容参数测量仪器，可方便选择
100Hz、120Hz、1kHz、10kHz、40kHz、100kHz六个典型测试频率，并可选择0.1V、0.3V、1.0V三个测试信号电平。
TH2617A提供了独特的双频测试功能，仪器可同时在两个任意设定的频率下测试并将结果输出显示和分选。
仪器既能适应生产现场高速检验的需要，又能满足实验室高准确度高稳定度的测量需要，同时仪器所提供的HANDLER及RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统和与计算机联网通讯提供了条件, 打印接口可直接将仪器测量条件输出至打印机。
1.3发展趋势
随着集成电路技术和数字电路技术的飞速发展,电容测量技术也得到很好的发展。
由于传统的检测电路已经不能满足现代测量的需要，研制更高精度和快响应速度的检测电路成为必要。
电容充放电检测技术是最近研究比较多的电容检测方法，国外已经利用此方法实现了两相流的图像分析。
有的公司设计出芯片。
例如，CD8010该芯片是美国一家公司最近开发的，芯片暂命名为CD8010。
该芯片是一个高分辨率的Σ一△型电容数字转换器，可测量单端输入电容信号和差动电容信号，外围电路简单。
芯片分辨率达
24位，由于电路中杂散电容的影响，一般能够使用的分辨率为18位。
测量精度为4fF，转换温度漂移为27ppm/℃，测量范围±
8.192pF，可设置的共模电容最大为17pF，数据采样率为5Hz到45Hz可调，内置转换时钟，更能减小系统体积。
通信采用兼容的两线串行接口，易于控制，应用温度范围极宽，极其适合于安放在传感器内部，能工作在较差的温度环境中。
芯片可以通过单端3.3V或5V供电，在工作时，最大电流为lmA。
使用本芯片可以使系统功耗大大降低，测量电路的总功耗低于5mW[3]。
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求数据采集和处理系统的准确度更高，可靠性更
强，并具有一定的自校验、自补偿等功能。
传统测控方式已不能满
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