便攜式微小電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

段文浩，馬 鑫，耿衛(wèi)國(guó)

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074)

0 引言

在測(cè)量液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)貯箱中液位計(jì)的電容值時(shí)需要用臺(tái)式電容變換儀，該儀器體積大并且需要接220 V交流電源，使用該儀器到貯箱頂部進(jìn)行測(cè)量極為不便。另外，該儀器所測(cè)數(shù)據(jù)不能快速讀出，需要一段時(shí)間待其結(jié)果穩(wěn)定后才能讀數(shù)，使得現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力?，F(xiàn)有美國(guó)制造的手持式電容測(cè)試表，但不具有三端測(cè)量功能，所測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確[1]，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要。為此需要設(shè)計(jì)一種具有快速、精確、便攜和低成本特點(diǎn)的便攜式電容測(cè)試儀，作為現(xiàn)場(chǎng)維修調(diào)試專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備。

根據(jù)液位計(jì)電容值測(cè)量的需要，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了手持式電容測(cè)試儀，該電容測(cè)試儀采用已有的三端法測(cè)量(第三端為屏蔽防護(hù)端)，可以消除由導(dǎo)線引入的分布電容，其電容檢測(cè)電路充分考慮電容傳感器的引線電容、電路設(shè)計(jì)的寄生電容以及環(huán)境變化等影響因素，并輔以MSP430單片機(jī)的數(shù)字化修正，克服了小電容測(cè)量中寄生電容及環(huán)境對(duì)電容傳感器的干擾，實(shí)現(xiàn)了pF級(jí)微小電容的測(cè)量。

1 電容檢測(cè)原理

常見(jiàn)的電容測(cè)量電路有：充/放電電容測(cè)量電路、AC電橋電容測(cè)量電路、比例運(yùn)放式電容測(cè)量電路、基于V/T變換的電容測(cè)量電路、基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路以及一些專(zhuān)用集成電路電容測(cè)量芯片，如CAV424等。相比較而言，比例運(yùn)放式電容測(cè)量電路是目前實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最好的檢測(cè)電路，這種電路的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、抗雜散性好、分辨率高，由于采用交流放大器，所以具有低漂移、高信噪比特點(diǎn)，但電路較復(fù)雜，成本高。

采用比例運(yùn)放式測(cè)電容法進(jìn)行電容-電壓轉(zhuǎn)換能夠較為理想地消除長(zhǎng)線分布電容的影響[2-5]。比例運(yùn)放式測(cè)電容的原理示意圖如圖1所示。

US—正弦波信號(hào)源電壓有效值；U1—運(yùn)算放大器；U0—輸出信號(hào)電壓有效值；C0—長(zhǎng)線分布電容；A—屏蔽層；C1—待測(cè)電容；C2—標(biāo)準(zhǔn)電容。圖1 比例運(yùn)放式測(cè)電容的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of proportional operational amplifier test capacitance

如圖1所示，在正弦波信號(hào)源內(nèi)阻很小，U1輸入阻抗很高且輸出阻抗很小時(shí)，C0兩端的電位相等，也就是說(shuō)，通過(guò)將傳輸電纜的屏蔽層與儀器的地電位信號(hào)相連接，這種接線法使傳輸電纜的芯線與屏蔽層等電位，消除了芯線對(duì)屏蔽層的容性漏電，從而去除了分布電容的影響。圖2是電容檢測(cè)電路的原理框圖[6]。

圖 2 電容檢測(cè)電路的原理框圖Fig.2 Block diagram of the capacitance detection circuit

圖2 中電容-電壓變換電路仍采用圖1所示的比例運(yùn)放電路，以消除長(zhǎng)線影響。此時(shí)，左側(cè)極板為激勵(lì)電極；右側(cè)極板為檢測(cè)電極。對(duì)電路進(jìn)行分析可知：

(1)

(2)

由于US,C2已知，因此可根據(jù)測(cè)得的U0計(jì)算出C1。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的測(cè)試儀表分為三個(gè)模塊：電容檢測(cè)模擬電路模塊、微處理器數(shù)字電路模塊和電源模塊。待測(cè)傳感器的電容值先經(jīng)過(guò)電容檢測(cè)電路，在模擬電路中對(duì)此信號(hào)進(jìn)行C-V變換、精密檢波、濾波等處理后輸出直流電壓信號(hào)，然后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理，最后由單片機(jī)控制液晶顯示器顯示電容值。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 便攜式微小電容測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System block diagram of portable miniature capacitance tester

2.1 電容檢測(cè)電路

電容檢測(cè)電路中的放大器均選用OPA277[7-8],放大電路的增益通過(guò)設(shè)計(jì)的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，接待測(cè)電容的一端接文氏振蕩電路，另一端依次為C-V變換、絕對(duì)值檢波、濾波、有效值校正電路,相比使用DDS器件產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，該檢測(cè)電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、幅度穩(wěn)定及調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)[9]。電路中多處使用電位器的目的是為了進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，特別是文氏振蕩電路中，若使用固定阻值的電阻取代電位器，由于電阻阻值的精度問(wèn)題，很難保證兩個(gè)電阻的阻值完全相同，會(huì)使起振波形失真。設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)電路能夠測(cè)量10～9 999 pF范圍內(nèi)的微小電容，精度可達(dá)1 pF。電容檢測(cè)電路為模擬電路，設(shè)計(jì)時(shí)模擬地要與數(shù)字地分開(kāi)，最后通過(guò)一個(gè)0 Ω的電阻連接。

2.2 數(shù)字電路部分

數(shù)字電路部分的核心是微處理器，選用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入型微處理器MSP430，該系列微處理器是一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，其工作電壓可低至1.8 V，在待機(jī)模式下的功耗僅為1.1 μA，非常適用于便攜式儀表[10-11]。設(shè)計(jì)中綜合考慮是否具有FLASH存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換功能等因素，選擇MSP430F449作為系統(tǒng)的控制單元，其內(nèi)部自帶12位的A/D轉(zhuǎn)換器，擁有60KB+256B的Flash Memory。顯示模塊選用全點(diǎn)陣液晶顯示器LCD12864，可通過(guò)字模提取軟件顯示漢字。

2.3 電源系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)需要+15 V，-15 V以及+3.3 V的電源來(lái)分別給模擬電路(電容檢測(cè)電路)和數(shù)字電路(MSP430F449、LCD12864、外部存儲(chǔ)器)供電，可以使用一節(jié)9 V電池作為系統(tǒng)的電源，9 V電壓經(jīng)過(guò)LM317穩(wěn)壓芯片得到5 V，再分別經(jīng)過(guò)A0515S-3W和AMS1117-3.3得到±15 V和3.3 V的電壓，其輸入輸出框圖如圖4所示。另外本設(shè)計(jì)還配備了Micro-USB接口，可外接充電寶為系統(tǒng)供電。由于模擬電路功耗較大，需選用A0515S電源模塊的3 W型號(hào)才能保證該模塊不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱的情況。

圖4 電源輸入輸出框圖Fig.4 Power input and output block diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境使用IAR公司的Embedded Workbench IDE，系統(tǒng)中單片機(jī)的任務(wù)是掃描按鍵，然后根據(jù)掃描結(jié)果控制A/D采集電容檢測(cè)電路輸出的電壓值，再將該電壓值換算成對(duì)應(yīng)的電容值，最后控制液晶顯示器顯示該電容值。所設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)能滿足硬件方面提出的要求，根據(jù)前面的任務(wù)要求，軟件設(shè)計(jì)包含以下幾項(xiàng)工作：

1)初始化。包括各輸入輸出端口的初始化、所需變量的定義以及設(shè)置寄存器的初始值；

2)按鍵掃描子程序。即用ADC的一個(gè)通道識(shí)別按鍵的不同狀態(tài)，然后設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志；

3)測(cè)量子程序。啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，在ADC中斷向量中對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，計(jì)算32次轉(zhuǎn)換結(jié)果的算數(shù)平均值并保存；

4)顯示子程序。將電容值通過(guò)LCD12864顯示出來(lái)，根據(jù)校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算實(shí)際電容值，然后按位提取并逐一顯示成4位數(shù)字，最大可顯示9 999 pF。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試包括硬件電路調(diào)試和軟件功能調(diào)試。先進(jìn)行硬件電路的調(diào)試再進(jìn)行微處理器軟件功能的調(diào)試。硬件電路調(diào)試主要是調(diào)試電容檢測(cè)電路輸出所需的電壓值，基本調(diào)試方法是通過(guò)外接標(biāo)準(zhǔn)電容，使其輸出電壓1 mV對(duì)應(yīng)1 pF；軟件功能調(diào)試包括三方面：測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的輸入、輸出、實(shí)時(shí)顯示；對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)濾波、計(jì)算電壓值、數(shù)據(jù)線性修正等進(jìn)行處理。

5 測(cè)量結(jié)果

用所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x對(duì)1 000～6 000 pF范圍的6個(gè)電容進(jìn)行抽查檢測(cè)。在基準(zhǔn)電容C2=5 000 pF時(shí), 測(cè)得輸出電壓與電容量的對(duì)應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 輸出電壓與電容量的對(duì)應(yīng)曲線圖Fig.6 Output voltage and capacitance curve

實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)回歸分析, 判定系數(shù)R2為0.996 8(R為相關(guān)系數(shù)), 趨勢(shì)線估計(jì)值與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合程度較好。

為了確定測(cè)量的準(zhǔn)確度以及三端測(cè)量法測(cè)量帶長(zhǎng)線纜的電容式傳感器的實(shí)際效果，用1 000～6 000 pF范圍的6個(gè)標(biāo)稱(chēng)電容進(jìn)行抽檢,具體方法為用美國(guó)Andeen Hagerling公司生產(chǎn)的高精度電容電橋AH2500A測(cè)量標(biāo)稱(chēng)電容，然后用手持式測(cè)試儀測(cè)量連接長(zhǎng)線纜的標(biāo)稱(chēng)電容，兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示 。

表1 電容測(cè)量結(jié)果對(duì)比

從表1中可見(jiàn)，在1 000～6 000 pF范圍內(nèi)的6個(gè)標(biāo)稱(chēng)電容，測(cè)試儀的測(cè)量誤差不超過(guò)1%。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的手持式電容測(cè)試儀，以現(xiàn)有的電容傳感器檢測(cè)電路的成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，配以MSP430單片機(jī)作為測(cè)量?jī)x器的主控制器，設(shè)計(jì)出具有12位分辨率、LCD顯示且具有三端測(cè)量功能的測(cè)量系統(tǒng)，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的智能化。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，通過(guò)采用微處理器進(jìn)行數(shù)字化修正處理可以進(jìn)一步提高電容測(cè)試儀的測(cè)量精度，該儀器不僅可測(cè)量10～9 999 pF 范圍內(nèi)的微小電容，還可用于測(cè)量帶有傳輸線纜的電容式傳感器，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)貯箱內(nèi)電容式液位計(jì)的測(cè)量。另外，根據(jù)調(diào)研市面上的手持式電容測(cè)試儀都是用兩端法測(cè)量，而本裝置采用的是三端測(cè)量法，因此具有更高的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。