CN202057730U

CN202057730U - 数字式电容量测量仪

Info

Publication number: CN202057730U
Application number: CN201120167246XU
Authority: CN
Inventors: 李玲玲; 张渭澎; 顾训华; 景丽婷
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-05-24

Abstract

本实用新型为一种数字式电容量测量仪，该测量仪由硬件部分和软件部分组成，其中软件部分包括主程序、中断处理子程序、数据处理子程序及显示子程序；硬件包括C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示模块，其连接顺序依次为C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示模块。本实用新型数字式电容量测量仪其测量范围为1.0pF-9999.99μF，测量范围广，误差小，精度高；控制方式采用基于规则的推理方法自动控制量程档位的切换，实现智能控制，操作简单；由此设计的产品成本低、体积小、便于携带。

Description

数字式电容量测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种数字式电容量测量仪，其通过间接转换测出未知电容大小并数字显示，主要适用于模拟电路和射频电路的设计领域及便携式野外作业电容测量领域。

背景技术

目前，随着电子技术的迅猛发展，对电子测量设备的使用和精密测量的要求也越来越高，电容具有储能的特性，被广泛用于射频、振荡、整流、滤波、耦合等电路中，几乎成为现代电路设计中不可或缺的分立元件，然现代的电容量测量仪表主要由硬件电路和软件电路组成，硬件电路主要由测量电路、正弦波发生电路、整流滤波电路、A/D转换电路、控制处理电路和显示电路组成。软件部分主要有主控程序、中断子程序、数据处理子程序、档位切换程序、按键处理程序和显示程序组成，此种设计的硬件电路存在设计成本高，抗干扰能力弱，测量范围窄，测量精度低的缺点，由此而设计的产品操作复杂、体积大，不便于野外作业。因此发明一款携带方便、操作简单、价格低廉、测量精度高的智能化电容量测量仪器成为现代测量的必然趋势

实用新型内容

本实用新型的目的是为针对当前的电容量测量仪存在着成本高、体积大、测量精度低的不足，发明了一种数字电容量测量仪，其设计省去了现代数字测量仪器中常用的A/D转换芯片，降低了设计成本。

本实用新型的技术方案为：

一种数字式电容量测量仪，该测量仪由硬件部分和软件部分组成，其中软件部分包括主程序、中断处理子程序、数据处理子程序及显示子程序；硬件包括C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示模块。硬件电路的连接顺序依次为C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示模块。

其中所述的C-T电路由高速运算放大器、采样电阻、负阻抗变换器(NIC)、标准电阻和标准电感组成，其连接关系为负阻抗变换器的输出端与标准电感串联，标准电感与标准电阻、待测电容连接，组成LC谐振电路，采样电阻一端与待测电容连接，而另一端与负阻抗变换器(NIC)输入端的限流电阻R_b连接构成闭合回路；C-T电路产生的振荡信号由信号输出端输出。

所述的缓冲电路由电压跟随器组成。

所述的整形电路由高运算倍数放大器、电阻R₁、电阻R₂，电容C₁、电容C₂和三极管组成，连接方式为整形电路信号输入端经电阻R₁与高运算倍数放大器的负极性端相连，同时输入信号经电阻R₂与高运算倍数放大器的输出端相连，高运算倍数放大器的正极性端接地。经高运算倍数放大器输出的信号经电容C₁与三极管的基极端连接，三极管的集电极上接+5V电源，发射极接地，整形出的矩形波经电容C₂由整形输出电路的信号输出端输出。

所述的控制模块为80C51单片机。

所述的显示模块由六个高亮度LED显示器及74LS138译码器组成。

本实用新型数字式电容量测量仪与现代的电容测量仪相比有如下有益效果：

(1)其测量范围为1.0pF-9999.99μF，测量范围广，误差小，精度高。

(2)其控制方式采用基于规则的推理方法自动控制量程档位的切换，实现智能控制，操作简单。

(3)由此设计出的产品价格低廉、体积小、便于携带。

附图说明

图1是本实用新型数字式电容量测量仪系统结构框图；

图2是本实用新型数字式电容量测量仪C-T电路原理图；

图3是本实用新型数字式电容量测量仪缓冲电路原理图；

图4是本实用新型数字式电容量测量仪整形电路原理图；

图5是本实用新型数字式电容量测量仪主程序流程示意图；

图6是本实用新型数字式电容量测量仪中断处理子程序流程示意图

具体实施方式

本实用新型数字式电容测量仪主要由硬件部分和软件部分构成，其硬件部分主要由C-T电路1、缓冲电路2、整形电路3、控制模块4和显示模块5等构成(连接关系、方式)；其电路模块的依次连接方式如图1所示。即C-T电路1、缓冲电路2、整形电路3、控制模块4与显示模块5依次连接。软件部分主要由控制主程序(图5)、中断子程序(图6)、数据处理子程序及显示子程序构成。

其中C-T电路如图2所示，其主要由采样电阻9、负阻抗变换器(NIC)8、标准电阻17和标准电感15组成，其中负阻抗变换器8由高速运算放大器16和限流电阻R₁、R₂组成，其连接关系为负阻抗变换器8的输出端与标准电感15串联，标准电感15与标准电阻17、待测电容连接，组成LC谐振电路，采样电阻9一端与待测电容连接，而另一端与负阻抗变换器8输入端的限流电阻R_b连接构成闭合回路。接通电源后，LC电路发生振荡，产生振荡信号，由信号输出端20输出振荡信号。

缓冲电路如图3所示，由电压跟随器12组成，起到把振荡电路和测量电路隔离的作用，以消除测量电路对振荡频率的影响，保证测量精度。

整形电路如图4所示，其主要由高运算倍数放大器18、电阻R₁、R₂，电容C₁、C₂，三极管19组成，连接方式为整形电路信号输入端13经电阻R₁与高运算倍数放大器18的负极性端相连，同时输入信号经电阻R₂与高运算倍数放大器18的输出端相连，高运算倍数放大器18的正极性端接地。经高运算倍数放大器18输出的信号经电容C₁与三极管19的基极端连接，三极管19的集电极上接+5V电源，发射极接地，整形出的矩形波经电容C₂由整形输出电路的信号输出端14输出。整形电路主要将缓冲电路输出的正弦波整形为矩形波。

控制模块主要由80C51单片机构成，主要完成对传入数据的处理。

显示模块主要由六个高亮度LED显示器及74LS138译码器组成，主要完成对测量电容值的显示。

数字电容量测量仪系统电路模块的连接方式为C-T电路1、缓冲电路2、整形电路3、控制模块4与显示模块5依次连接。C-T电路(图2)中的标准电感15与待测电容C_x组成LC振荡电路，接通电源后，LC电路产生振荡，采样电阻9取出振荡电压信号，根据运算放大器的结构特征，由KVL方程得出无阻尼振荡方程，通过调节负阻抗变换器(NIC)8的参数值，从而得知电容与信号周期的准确关系。由采样电阻9采样得到的振荡电压信号由C-T电路信号输出端20输出，C-T电路信号输出端20与缓冲电路的信号输入端10相连，此时的采样信号送入缓冲电路，此时为正弦波。缓冲电路由电压跟随器12构成，起到把振荡电路和测量电路隔离的作用，以消除测量电路对振荡频率的影响，保证测量精度。经缓冲电路的电压信号最后由信号输出端11输出，信号输出端11与整形电路信号输入端13相连，将缓冲电路输出的正弦波信号送入整形电路(图4)，整形电路4主要由高运算倍数放大器18、电阻R₁、R₂，电容C₁、C₂，三极管19组成，经过整形电路作用，将电压跟随器12送来的正弦信号整成矩形波信号，由整形电路信号输出端14送入80C51单片机。

为满足80C51接口要求，需把送入的脉冲进行处理来满足TTL电平要求。在整形电路三极管19的集电极接入+5V电压。高运算倍数放大器18采用反相输入，当正弦波正半周期到来时，使三极管19截止，集电极输出电压为+5V，当正弦波为负半周时，三极管19导通，集电极输出0电位，即整形电路输出信号波形为5V的矩形脉冲。矩形脉冲采用中断方式由INT0输入80C51单片机，80C51响应中断后启动定时器T0开始计时，直到第N次中断到来后，关闭定时器T0，此时一次测量过程结束，将时间与中断次数存储，调用数据处理子程序进行处理，处理值经P0口输出，经过74LS138译码器作用，将二进制码转化为十进制码，最后由六位高亮度发光LED显示。对测量不同大小电容量程的切换控制采用智能中基于规则的推理方法实现，实现了测量过程的智能化。

在实现电容量测量过程中，其程序包括主程序(图5)和中断处理子程序(图6)。

主程序(图5)由初始化(步骤1)、开中断(步骤2)、测量完成标志(步骤4)、调用数据处理子程序(步骤5)、显示子程序(步骤6)、清除标志位(步骤7)组成。

中断处理子程序(图6)整体作为(步骤3)执行。其程序的运行过程如下：

(1)单片机上电后，首先对程序进行初始化，系统设置初始值及标志位。

(2)接通电源后，C-T电路中LC电路发生振荡，此时发出第一个脉冲，系统开中断，启动定时器T0开始定时，中断服务程序对T0重新装入时间常数。

(3)开中断后，系统执行中断处理子程序(图6)，开定时中断T0，然后判断是否为第N次中断，若是第N次中断，则关闭定时器T0，存储时间和中断次数，中断次数及定时器复位，然后对完成标志进行判断(步骤4)。若不是第N次中断，则中断次数自动加1，然后再对完成标志进行判断(步骤4)。

(4)中断处理子程序(步骤3)完成后，对测量完成标志进行判断，若测量完成标志为1，则调用数据处理子程序(步骤5)和显示子程序(步骤6)，显示测量值。若测量标志不为1，则跳回步骤3继续判断。

(5)测量标志位为1时，系统调用数据处理子程序，对数据进行分析处理。

(6)步骤5对数据进行分析处理后，系统自动调用显示子程序，显示测量结果。

(7)测量结果显示后，系统进入清除测量完成标志，自动转入步骤3，进行下一次的测量判断。

系统在对未知电容量进行测量时，反复运行上述程序。在对不同电容量测量时，系统自动切换量程。其控制实现了智能化。

本设计的数字式电容量测量仪省去了现代测量仪中常用的A/D转化芯片，硬件电路简单，降低了设计成本；测量范围为1.0pF-9999.99μF，测量范围广，精度高，抗干扰能力强；控制采用智能设计中基于规则的推理方法实现量程的自动切换，操作简单；由此种方法设计的电容量测量仪体积小，便于携带。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种数字式电容量测量仪，其特征为该测量仪包括C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示电路；硬件电路的连接顺序依次为C-T电路、缓冲电路、整形电路、控制模块和显示电路。

2.如权利要求1所述的数字式电容量测量仪，其特征为所述的C-T电路由高速运算放大器、采样电阻、负阻抗变换器(NIC)、标准电阻和标准电感组成，其连接关系为负阻抗变换器的输出端与标准电感串联，标准电感与标准电阻、待测电容连接，组成LC谐振电路，采样电阻一端与待测电容连接，而另一端与负阻抗变换器(NIC)输入端的限流电阻R_b连接构成闭合回路；C-T电路产生的振荡信号由信号输出端输出。

3.如权利要求1所述的数字式电容量测量仪，其特征为所述的缓冲电路由电压跟随器组成。

4.如权利要求1所述的数字式电容量测量仪，其特征为所述的整形电路由高运算倍数放大器、电阻R₁、电阻R₂，电容C₁、电容C₂和三极管组成，连接方式为整形电路信号输入端经电阻R₁与高运算倍数放大器的负极性端相连，同时输入信号经电阻R₂与高运算倍数放大器的输出端相连，高运算倍数放大器的正极性端接地。经高运算倍数放大器输出的信号经电容C₁与三极管的基极端连接，三极管的集电极上接+5V电源，发射极接地，整形出的矩形波经电容C₂由整形输出电路的信号输出端输出。

5.如权利要求1所述的数字式电容量测量仪，其特征为所述的控制模块为80C51单片机。

6.如权利要求1所述的数字式电容量测量仪，其特征为所述的显示模块由六个高亮度LED显示器及74LS138译码器组成。