高精度电容测量仪

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1、2014年湖南省大学生电子设计竞赛设计报告（题号：A）竞赛题名称：电容参数测量仪参赛队编号：评阅人签名：2014年8月23日竞赛题名称：电容参数测量仪摘要：该简易数字电容表是基于MSP430G2553单片机与LC震荡和555时基电路的数字式电容测量仪。采用LC振荡器和555芯片构成的单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲频率，分别测量小电容与大电容。通过单片机测量脉冲频率,计算容量,并用LCD12864显示电容值。系统测量范围10pF~2200uF,测量误差在1%以下，具有量程自动切换及自动校准功能。关键字：数字电容表LC震

2、荡555时基电路脉冲频率MSP430G2553一、系统构架与设计思想把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCln3≈1.1RC。此方法简单易行，因此采用此方法测量电容。电容和电感会构成震荡电路，而震荡频率只和电容值和电感值有关，它们之间的关系为：。利用这个公式，只需令L已知，通过测量F就可以求出C的值，令C已知，通过测量F就可以求出L的值.由标称元件和对应的待测元件组成的振荡回路会震荡出频率

3、稳定的正弦波，该正弦波经过放大器和比较器之后会产生相应频率的方波脉冲。接下来通过单片机和计数器就可以实现对电容、电感元件的测量任务。原理图如下图：LM311和电容电感组成的震荡电路测电容时，L4取值为1mH，测量范围为10pF-10uF，对应频率范围为1.97KHz-775KHz左右。测电感时，C11取值为104为最佳，7uH-1H可测量出来，对应频率范围为500Hz-190KHz左右。二、理论分析与计算本设计中用TI公司的NE555震荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲，也就是标准频率。把待测电容C转换成宽度

4、为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽TW与电容C成正比。用555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图1所示，其工作原理如下：图1555构成的多谐振荡器由图1（b）所示，将在和之间变化，因而可以求得电容上的充电时间和放电时间：所以输出波形的周期为:振荡频率  ,占空比   ,如果，则q≈1，近似为锯齿波。一、电路与程序设计2.1硬件设计2.2软件设计2.2.1算法设计为了测量频率误差更小，低频率范围我们采用捕获计时，通过测量周期，然后换算成频率，高频率通过计数脉冲等精度测量来测量频率，然后通过公式算出电容

5、值，测量超过一定范围，为保证精度，软件控制切换继电器自动转换到精度最高的量程测量。2.2.2程序流程图一、系统测试3.1测试仪器3.2测试方法3.3测试结果频率测试数据：电容值测试值相对误差/%1010.010.1100100.020.02500499.800.1610001001.200.12100009998.970.013.4结果分析本系统采用多谐振荡器震荡的方法将电容量转化为频率测量，MSP430G2553通过外部计数测量输出频率，然后通过计算公式得到电容值，最后送12864液晶显示。本系统测量范围10pF—22

6、0uF,c测量误差5%以内，系统量程通过按键选择量程，测量量程通过发光二极管指示，启动系统则自动校准归零。参考文献：[1]谢嘉奎.电子线路线性部分[M].4版.北京高等教育出版社1999.[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京北京航空航天大学出版社2002.[3]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京北京航空航天大学出版社2007.