测量电路设计

测量电路设计 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 作 业 课 程 名 称：测量电路设计 学生所在院（系）：材料学院 学 生 所在 专 业： 电子封装技术 学 生 姓 名： 胡佳伟 学 生 学 号： 1142920102 2016 年 12 月 31日 一种电容测量电路 1引言 电容传感器广泛的应用于多种检测系统中，用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量，在某些场合，传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小，这就对电容测量 [1, 4]电路提出了更高的要求。 目前用于解决测量小电容的方法主要有电荷转移法和交流法，这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对电容充放电，形成与被测电容成比例的电流或电压信号，从而测量出被测电容值。它们的共同缺点是脉动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿，电路结构相 [2, 3]对复杂，成本也较高， 这里设计了一种简单的电容测量电路，对被测电容只进行一次充放电即可完成对电容的测量，且电路结构简单，稳定性好。 2测量原理 在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其他许多电参量的测量测量结果都有十分密切的关系，而且，在电子测量中，频率的测量精确度是最高的，如果能将待测电容变换成与频率有关的量如周期，则可大大提高测量精度，我们基于这一思路来设计电容测量电路。测量电路原理如下图 电流源I0与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比较器P的输入端，测量过程如下:当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的内部计数器同时开始工作，当电流源对电容放电至Uc=0时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比，计数脉冲与放电时间关系如下图 电容电压Uc与放电电流I0的关系为: 1𝑡𝐼0𝑡𝑈𝑐=𝑈𝑠− 𝐼0𝑑𝑡=𝑈𝑠− 0令Uc=0，则有 c=𝐼0𝑡𝐼0𝑁𝑇𝑐=𝑠𝑠 上式中，N为计数器的读数，Tc为计数脉冲的周期，它是一个常数，在Us和I0为定值时，C与N成正比 3误差分析 电路测量误差来自以下几个方面: (1)电流源的温度漂移及噪声误差，当环境温度变化范围比较大时，电流源引起的误差将影响测量结果，另外，电流源在电子开关接通瞬间，因电流不能突变也会引入误差。 C2)过零比较器的重复性误差。当电容电压下降到0伏左右时，比较器翻转，如果每次翻转电平相同，则在程序中可将它补偿掉，但实际应用中总是有微小差别。适当提高放电电 [4]容的初始电压(即基准电压Us)可有效降低它对测量结果的影响。 C3)单片机内部计数器的士1误差，这是所有数字化仪器的固有误差，它引起的时间测量误差为2μs，可忽略不计。 4结论 这种基于电压-时间变换的电容测量电路，采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理，克服了传统测量中微弱信号电路中放大器的稳定性不好，零点漂移大等缺点，且电路结构简单，测量精度和分辨力高。 参考文献 [1] 佘生能, 孙士平. 电容传感器新型电容测量电路设计[J]. 中国测试技术, 2005,31(5):42-43. [2] 邱桂苹. 微小电容测量电路[J]. 2006. [3] 赵振. 高频电容_电感测量方法及实现[J]. 2015. [4] 刘玉才. 电容测量方法介绍[J]. 2016.