CN205027823U - 大容量电容容量测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型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；本实用新型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，由于本实用新型采用硬件比较器，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

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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，本实用新型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、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模块及待测电容提供电源，MCU模块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模块的中断端口，MCU模块做出响应停止计数，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。

作为本实用新型的更进一步改进，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、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。

作为本实用新型的更进一步改进，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。

作为本实用新型的更进一步改进，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。

作为本实用新型的更进一步改进，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，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。

作为本实用新型的更进一步改进，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模块供电。

作为本实用新型的更进一步改进，所述MCU模块电路包括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。

作为本实用新型的更进一步改进，所述译码器U1的型号为74HC138。

作为本实用新型的更进一步改进，所述MCU模块的型号为PIC16f690。

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型所述的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。

本实用新型具有如下优点：

（1）本实用新型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，由于本实用新型采用硬件比较器，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，本实用新型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为本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型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、辅助电源电路；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，MCU模块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模块的中断端口，MCU模块做出响应停止计数，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、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，MCU模块通过译码器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，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。

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模块供电。

MCU模块电路包括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。

本实用新型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，在未脱离本实用新型构思前提下，对本实用新型所做的任何微小变化与修饰均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

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、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模块及待测电容提供电源，MCU模块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模块的中断端口，MCU模块做出响应停止计数，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模块将待测电容的电容量传输给工业显示器进行数值显示。

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、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。

3.根据权利要求1或2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。

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。

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，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。

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模块供电。

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MCU模块电路包括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。

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：所述译码器U1的型号为74HC138。

9.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。