CN105158581B - 大容量电容容量测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容容量测试仪器仪表技术领域，公开了一种大容量电容容量测量电路。它包括电压比较器触发电路、电容泄放电电路、四档位充电电路、MCU模块电路、辅助电源电路；电压比较器触发电路与MCU模块电路中的MCU模块的中断端口相连接，MCU模块通过译码器U1与四档位充电电路相连接，四档位充电电路与待测电容测试端子相连接，测试端子还与电容泄放电电路相连接，辅助电源电路为MCU模块及待测电容提供电源；本发明采用四档位充电电路对待检测电容进行充电，分别对应四个不同的电容容量量程，保证了测量结果的精确性和快速性；测量方法稳定可靠，由于本发明采用硬件比较器，由MCU模块定时，大大提高了测量数据的准确性与可靠性。

Description

大容量电容容量测量电路

技术领域

本发明涉及电容容量测试仪器仪表技术领域，具体的说是一种大容量电容容量测量电路。

背景技术

近年来随着电子科技的逐步发展，大容量电容器越来越常见于电子电路和电气电路中，比如超大容量的铝电解电容器，电路上替代锂电池的超级法拉电容等等。电容量是电容器的一个重要参数，电容容量的变化能反映电容器的故障状态，关键位置的电容量精度甚至影响电路质量。而当需要测得大电容容量时，普通数字式万用表可测量的最大容量仅为数百微法，不能满足实际测量的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大容量电容容量测量电路，以解决普通数字式万用表的量程限制不能测量大电容器容量的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种大容量电容容量测量电路，它包括电压比较器触发电路、电容泄放电电路、四档位充电电路、MCU模块电路和辅助电源电路；所述电压比较器触发电路与MCU模块电路中的中断端口相连接，MCU模块电路通过译码器U1与四档位充电电路相连接，四档位充电电路与待测电容测试端子相连接，测试端子还与所述电容泄放电电路相连接，所述辅助电源电路为MCU模块电路及待测电容提供电源，MCU模块电路通过串行模式与工业显示器相连接；当待测电容连接到测试端子时，电容泄放电电路先将待测电容放电，待测电容中的电荷放光之后，MCU模块电路通过译码器U1选择适当的四档位充电电路中的一个充电通道给待测电容进行充电，MCU模块电路同时开启定时器进行计数，当电容充电达到电压比较器触发电路所设定的电压阈值时，电压比较器触发电路中的比较器U2翻转，发出充电完成信号输送至MCU模块电路的中断端口，MCU模块电路做出响应停止计数，同时关闭四档位充电电路，接通电容泄放电电路对待测电容再次进行放电，MCU模块电路将待测电容的电容量传输给工业显示器进行数值显示。

作为本发明的进一步改进，所述电压比较器触发电路包括电压比较器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻VR1、电容C2、电容C3和三极管Q4，电阻R3和可调电阻VR1构成电压比较器U2的分压器，并联电容C3以滤除干扰信号；电压比较器U2的输出与三极管Q4的基极相连接，三极管Q4的集电极与MCU模块电路的中断端口相连接；通过可调电阻VR1阻值的调控，可以调整电压比较器同相输入端的基准电压为待测电容充电电压的0.632倍，当待测电容上的电压充电至充电电压的0.632倍时，比较器U2输出下降沿跳变，然后经过三极管Q4的倒相和电平转换作用，输出上升沿跳变至MCU的中断端口，作为充电完成的信号。

作为本发明的更进一步改进，所述电容泄放电电路由大功率放电电阻R4、场效应管Q6、倒相三极管Q7、电阻R5、电阻R6组成，大功率放电电阻R4的一端与测试端子相连接，大功率放电电阻R4的另一端与场效应管Q6的漏极相连接，场效应管Q6的栅极与倒相三极管Q7的集电极相连接，倒相三极管Q7的基极串联电阻R7后与译码器U1的一个输出管脚相连接，所述MCU模块电路通过译码器U1控制场效应管Q6的导通，场效应管Q6导通后将待测电容上的电荷进行放电。

作为本发明的更进一步改进，所述场效应管Q6为低开启电压，低导通压降的N沟道功率场效应管。

作为本发明的更进一步改进，所述四档位充电电路分别由场效应管Q1与电阻R11串联、场效应管Q2与电阻R10串联、场效应管Q3与电阻R9串联、场效应管Q5与电阻R8串联后组成，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5均为低开启电压，低导通压降的P沟道场效应管，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的栅极分别与译码器U1的四个输出管脚相连接，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的源极分别与辅助电源电路相连接，电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11均为大功率充电电阻，每一组换挡电路均与测试端子相连接，代表不同档位的电容量程，每一组换挡电路均由译码器U1的译码输出管脚驱动，译码器U1被选通的管脚输出低电平，其余管脚均输出高电平，译码器U1的地址输入端接至MCU模块电路，档位选择由按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，分别对应不同的电容量程。

作为本发明的更进一步改进，所述辅助电源电路输出+5V、+3.3V两种电压，+5V电压具有较大功率输出能力，其与地两端并联超级法拉电容C1，超级法拉电容C1的容量大于最大待测电容的容量10倍以上；+3.3V电压由输入+5V电压经过低压差线性稳压器降压后获得，用以给MCU模块电路供电。

作为本发明的更进一步改进，所述MCU模块电路由MCU模块、译码器U1、按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，数据的显示由MCU模块采用串行模式与工业显示器相连接。

作为本发明的更进一步改进，所述译码器U1的型号为74HC138。

作为本发明的更进一步改进，所述MCU模块的型号为PIC16f690。

本发明所述的电压比较器触发电路中，比较器的同相输入端电位通过可调电阻VR1设置为0.632*5V=3.16V，因为根据电容充电公式

Uc=U*[1-e^(-t/τ)]（1）

式中：U为充电电压，Uc为电容电压，τ为时间常数，τ=R*C，

当通过充电电阻对电容充电时间为τ时，

Uc=（1-1/e）*U≈0.632*U（2）

通过MCU模块的定时器功能可以测量出时间常数τ。

在所述电压比较器触发电路中待测电容上的剩余电荷通过放电电阻R4放电时，应当保证放电时间，以使电荷放光。

本发明所述的四档位充电电路中，电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11均为大功率充电电阻，其电阻值分别为：R8=1欧姆，R9=5.1欧姆，R10=24欧姆，R11=100欧姆，分别对应电容的量程为：5-100F，0.25-5F，12.5-250mF，0.625-12.5mF。

档位选择由按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，分别对应的电容量程为：5-100F，0.25-5F，12.5-250mF，0.625-12.5mF。按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4均为非自锁型按键。

本发明所述的MCU模块，为单片机集成终端，具有定时器功能，数值校正通过时间测算得各档位校正系数，并且通过MCU模块自身所集成的软件可以修正场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的导通电阻对充电电阻的影响，修正后的数值通过与MCU模块相连接的工业显示器显示，所述的工业显示器为低功耗的工业型字符液晶显示器。

本发明具有如下优点：

（1）本发明采用四档位充电电路对待检测电容进行充电，分别对应四个不同的电容容量量程，保证了测量结果的精确性和快速性；

（2）测量方法稳定可靠，由于本发明采用硬件比较器，由MCU模块定时，大大提高了测量数据的准确性与可靠性；

（3）测量方法安全性高，本发明采用低电压相对大电流的电源对待测电容充电，避免了高压对待测电容带来的安全隐患，且译码器任何时刻最多仅有一个输出管脚为低电平，确保了测量电路的安全性。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的一种大容量电容容量测量电路，它包括电压比较器触发电路、电容泄放电电路、四档位充电电路、MCU模块电路和辅助电源电路；所述电压比较器触发电路与MCU模块电路中的中断端口相连接，MCU模块电路通过译码器U1与四档位充电电路相连接，四档位充电电路与待测电容测试端子相连接，测试端子还与所述电容泄放电电路相连接，所述辅助电源电路为MCU模块电路及待测电容提供电源，MCU模块电路通过串行模式与工业显示器相连接；当待测电容连接到测试端子时，电容泄放电电路先将待测电容放电，待测电容中的电荷放光之后，MCU模块电路通过译码器U1选择适当的四档位充电电路中的一个充电通道给待测电容进行充电，MCU模块电路同时开启定时器进行计数，当电容充电达到电压比较器触发电路所设定的电压阈值时，电压比较器触发电路中的比较器U2翻转，发出充电完成信号输送至MCU模块电路的中断端口，MCU模块电路做出响应停止计数，同时关闭四档位充电电路，接通电容泄放电电路对待测电容再次进行放电，MCU模块电路将待测电容的电容量传输给工业显示器进行数值显示。

电压比较器触发电路包括电压比较器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻VR1、电容C2、电容C3和三极管Q4，电阻R3和可调电阻VR1构成电压比较器U2的分压器，并联电容C3以滤除干扰信号；电压比较器U2的输出与三极管Q4的基极相连接，三极管Q4的集电极与MCU模块电路的中断端口相连接；通过可调电阻VR1阻值的调控，可以调整电压比较器同相输入端的基准电压为待测电容充电电压的0.632倍，当待测电容上的电压充电至充电电压的0.632倍时，比较器U2输出下降沿跳变，然后经过三极管Q4的倒相和电平转换作用，输出上升沿跳变至MCU的中断端口，作为充电完成的信号。

电容泄放电电路由大功率放电电阻R4、场效应管Q6、倒相三极管Q7、电阻R5、电阻R6组成，大功率放电电阻R4的一端与测试端子相连接，大功率放电电阻R4的另一端与场效应管Q6的漏极相连接，场效应管Q6的栅极与倒相三极管Q7的集电极相连接，倒相三极管Q7的基极串联电阻R7后与译码器U1的一个输出管脚相连接，所述MCU模块电路通过译码器U1控制场效应管Q6的导通，场效应管Q6导通后将待测电容上的电荷进行放电。

场效应管Q6为低开启电压，低导通压降的N沟道功率场效应管。

四档位充电电路分别由场效应管Q1与电阻R11串联、场效应管Q2与电阻R10串联、场效应管Q3与电阻R9串联、场效应管Q5与电阻R8串联后组成，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5均为低开启电压，低导通压降的P沟道场效应管，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的栅极分别与译码器U1的四个输出管脚相连接，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的源极分别与辅助电源电路相连接，电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11均为大功率充电电阻，每一组换挡电路均与测试端子相连接，代表不同档位的电容量程，每一组换挡电路均由译码器U1的译码输出管脚驱动，译码器U1被选通的管脚输出低电平，其余管脚均输出高电平，译码器U1的地址输入端接至MCU模块电路，档位选择由按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，分别对应不同的电容量程。

作为本发明的更进一步改进，所述辅助电源电路输出+5V、+3.3V两种电压，+5V电压具有较大功率输出能力，其与地两端并联超级法拉电容C1，超级法拉电容C1的容量大于最大待测电容的容量10倍以上；+3.3V电压由输入+5V电压经过低压差线性稳压器降压后获得，用以给MCU模块电路供电。

作为本发明的更进一步改进，所述MCU模块电路由MCU模块、译码器U1、按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，数据的显示由MCU模块采用串行模式与工业显示器相连接。

译码器U1的型号为74HC138。

MCU模块的型号为PIC16f690。

在图1中较粗的线代表功率线，表示其上流过大电流。

本发明既可以测量有极性电容器，也可以测量无极性电容器，对于有极性电容器如铝电解电容等，接入时当注意极性不要接错，否则可能会导致电容器损坏。

需要说明的是，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大容量电容容量测量电路，其特征在于：它包括电压比较器触发电路、电容泄放电电路、四档位充电电路、MCU模块电路和辅助电源电路；所述电压比较器触发电路与MCU模块电路中的中断端口相连接，MCU模块电路通过译码器U1与四档位充电电路相连接，四档位充电电路与待测电容测试端子相连接，测试端子还与所述电容泄放电电路相连接，所述辅助电源电路为MCU模块电路及待测电容提供电源，MCU模块电路通过串行模式与工业显示器相连接；当待测电容连接到测试端子时，电容泄放电电路先将待测电容放电，待测电容中的电荷放光之后，MCU模块电路通过译码器U1选择适当的四档位充电电路中的一个充电通道给待测电容进行充电，MCU模块电路同时开启定时器进行计数，当电容充电达到电压比较器触发电路所设定的电压阈值时，电压比较器触发电路中的比较器U2翻转，发出充电完成信号输送至MCU模块电路的中断端口，MCU模块电路做出响应停止计数，同时关闭四档位充电电路，接通电容泄放电电路对待测电容再次进行放电，MCU模块电路将待测电容的电容量传输给工业显示器进行数值显示；

所述电压比较器触发电路包括电压比较器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻VR1、电容C2、电容C3和三极管Q4，电阻R3和可调电阻VR1构成电压比较器U2的分压器，并联电容C3以滤除干扰信号；电压比较器U2的输出与三极管Q4的基极相连接，三极管Q4的集电极与MCU模块电路的中断端口相连接；通过可调电阻VR1阻值的调控，可以调整电压比较器同相输入端的基准电压为待测电容充电电压的0.632倍，当待测电容上的电压充电至充电电压的0.632倍时，比较器U2输出下降沿跳变，然后经过三极管Q4的倒相和电平转换作用，输出上升沿跳变至MCU的中断端口，作为充电完成的信号。

2.根据权利要求1所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述电容泄放电电路由大功率放电电阻R4、场效应管Q6、倒相三极管Q7、电阻R5、电阻R6组成，大功率放电电阻R4的一端与测试端子相连接，大功率放电电阻R4的另一端与场效应管Q6的漏极相连接，场效应管Q6的栅极与倒相三极管Q7的集电极相连接，倒相三极管Q7的基极串联电阻R7后与译码器U1的一个输出管脚相连接，所述MCU模块电路通过译码器U1控制场效应管Q6的导通，场效应管Q6导通后将待测电容上的电荷进行放电。

3.根据权利要求2所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述场效应管Q6为低开启电压，低导通压降的N沟道功率场效应管。

4.根据权利要求3所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述四档位充电电路分别由场效应管Q1与电阻R11串联、场效应管Q2与电阻R10串联、场效应管Q3与电阻R9串联、场效应管Q5与电阻R8串联后组成，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5均为低开启电压，低导通压降的P沟道场效应管，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的栅极分别与译码器U1的四个输出管脚相连接，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q5的源极分别与辅助电源电路相连接，电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11均为大功率充电电阻，每一组换挡电路均与测试端子相连接，代表不同档位的电容量程，每一组换挡电路均由译码器U1的译码输出管脚驱动，译码器U1被选通的管脚输出低电平，其余管脚均输出高电平，译码器U1的地址输入端接至MCU模块电路，档位选择由按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，分别对应不同的电容量程。

5.根据权利要求4所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述辅助电源电路输出+5V、+3.3V两种电压，+5V电压具有较大功率输出能力，其与地两端并联超级法拉电容C1，超级法拉电容C1的容量大于最大待测电容的容量10倍以上；+3.3V电压由输入+5V电压经过低压差线性稳压器降压后获得，用以给MCU模块电路供电。

6.根据权利要求5所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述MCU模块电路由MCU模块、译码器U1、按键开关S1、按键开关S2、按键开关S3、按键开关S4组成，数据的显示由MCU模块采用串行模式与工业显示器相连接。

7.根据权利要求6所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述译码器U1的型号为74HC138。

8.根据权利要求7所述的大容量电容容量测量电路，其特征在于：所述MCU模块的型号为PIC16f690。