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1、2011年6月廊坊师范学院学报(自然科学版)Jun.2011第11卷第3期JournalofLangfangTeachersCollege(NaturnalScienceEdition)Vol.11No.3数字式电容测量仪设计张玉芹,洪远泉(韶关学院,广东韶关512005)摘要介绍了一种基于单片机的数字式电容测量仪设计方案。采用555芯片构成单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲宽度。通过单片机测量脉宽,计算容量,控制液晶屏显示结果。系统测量范围10pF~500uF,具有量程自动切换功能。关键词
2、电容测量;脉冲宽度;单稳态触发器;单片机DesignofDigitalCapacitanceMeasuringApparatusZHANGYuqin,HONGYuanquanAbstractThepaperintroducesakindofdesignschemeofdigitalcapacitancemeasuringapparatus.Thevalueofcapacitanceisconvertedtopulseswidthbymonostableflipflopwhichconsists
3、of555timers.Itusessinglechipmicrocomputertomeasurepulseswidth,computecapacitanceandcontrolLCDtoshowtheresults.Thesystemcanmeasurethecapacitancefrom10picofaradto500microfaradandhasthefunctionofswitchingrangeautomatically.Keywordscapacitancemeasure;pulse
4、width;monostableflipflop;SCM中图分类号TM932文献标识码A文章编号1674-3229(2011)03-0052-03电容容量是电学理论分析与电路设计中的重1测量原理要参数。电容容量测量的主要方法有电桥平衡法、谐振频率测量法或脉冲宽度测量法等等。交流电桥虽系统测量的电路原理图如图2所示。电路主要然测量准确,但存在笨重、操作繁琐、不能自动测量由单片机U1、NE555定时芯片U2和检测电容CX组的缺陷。笔者在文中提出了基于单片机控制的数字成。NE
5、555定时器芯片的6脚与7脚相连,与电阻R式电容测量仪的设计方案,如图1所示。单稳态触发和待测电容CX组成单稳态触发电路。器接收单片机的窄脉冲触发信号Trig,输出一个脉冲宽度与待测电容CX的容量成正比的信号VO。单片机通过检测VO高电平持续时间来计算电容大小,并将结果显示在液晶屏上。测量过程中,通过控制单稳态触发器的充电电阻阻值,实现10pF~500uF范围内电容的测量和量程的自动切换。由图2可知,NE555定时器内部主要由电阻分压器、电压比较器OP1~OP2、与非门G1~G3、输出缓冲反相器G4和集电
6、极开路的三极管T组成。G1、G2构成基本RS锁存器。电阻R1和电容C1构成NE555定时器的上电自动复位电路。复位之后,G3[收稿日期]2011-03-27[作者简介]张玉芹(1981-),女,硕士研究生,韶关学院物理与机电工程学院教师,主要从事大学物理教学和低维量子系统研究工作。52第11卷第3期张玉芹等:数字式电容测量仪设计2011年6月[2][3]的输出为高电平,三极管T处于饱和状态,待测电容N和标准计数脉冲的频率偏移TC产生。因此CX被短路。单片机P37引脚在上电时的默认电平是有:高
7、电平。可见,上电复位后,比较器OP1、OP2的输出CTNTC=++(2)CTNTC为高电平,R=S=1,RS触发器处于保持状态,单稳态触发器输出稳态0。系统采用的标准计数脉冲来自单片机内核时系统需要测量时,单片机的P37引脚上输出负钟,由片外的高精度晶振与片内电路自激振荡产生,向窄脉冲VTR控制单稳态触发器进入暂态,即可实频率非常稳定,可以忽略其频偏对测量结果的影响。量化误差N是数字电路的特有误差,最坏的情况现一次测量。工作时序图如图3所示。VTR电平变低下等于1。如采用12M的晶振,
8、可获得1MHz的标后,比较器OP2的输出为低电平。此时,S=0,R=准计数脉冲,量化产生的最大误差为1微秒。通过设1,RS触发器处于置1状态,单稳态触发器进入了暂置充电电阻R的阻值,使TW达到毫秒级时,量化误态1。G3输出的低电平使三极管T截至,电源通过电差的影响非常小,可以忽略。非线性误差是由器件的阻R开始对待测电容充电,如图3的VCX波形所示。非线性特性产生的,可通过硬件参数修正和软件算当VCX上升到电源电压的三分之二后,
