数字电容表

摘要:此简易数字电容表，利用容抗法测量电容值，测试信号的频率400Hz 的正弦波。首先由文氏振荡器产生固定频率的正弦信号，然后经过电容电压转换电路把被测电容转换成容抗，进而获得交流信号电压，之后通过交、直流电压转换电路得到平均电压值，再由A/D 转换电路将其转换为数字量，最后由计数译码显示电路显示结果。系统结构较为简单，层次清晰。

关键词：容抗法；文氏电桥振荡器；缓冲放大；C/U 转换；A/D 转换电路；交，直流电压转换电路

一、 概述

随着科技的发展，电子技术在日常生活中得到了广泛的应用，各种电路的不断推出以及电子产品的快速更新，电子技术已成为世界发展和人们生活中必不可少的工具。

对测量的精度和功能的要求也越来越高而传统的数字仪表采用脉宽调制法测量电容，其缺点是电路本身不能自动调节，每次测量之前都需要手动调零，从而延长了测量时间。采用容抗法可解决上述问题。它能实现电容档的自动调零。利用容抗法测量电容的大小，设计一个简易数字电容表，测试信号频率为400Hz 的正弦波。其技术指标为：当量程为2uF ，分辨率为0.1nF 。当量程为20uF ，分辨率为1nF 。准确度为±（2.5%RDG+10字）过载保护为100V,或DC 或AC 有效值。

二、工作原理

首先，根据公式1/2f =400Hz 的正弦波信号，再经过缓冲放大器对电压进行衰减，衰减倍数为()65/RP R R +约为100倍。将X C 接入衰减后的电压两端，通过C/U 转换电路将X C 转化为交流电压信号，再经过带通滤波器(其

中心频率)0312131/21/1/f C R R π=+为400Hz)滤去在之前电路中所产生的干扰频率，只允许400z H 的交流电压信号通过，从而输出与被测电容成正比的正弦波电压，再经过交、直流电压转换电路，将交流电压转换成直流电压，再经过A/D 转换通过显示电路输出。其参考原理框图如图1所示。

图1 简易数字电容表原理框图

三、电路设计 1．文氏电桥振荡电路

文氏电桥振荡电路是由TL062型运放和电阻1R ，2R 电容1C ,2C

构成的，振荡频率为1/2f =取1R =2R =39.2Ω，1C =2C =0.01F μ,代入式中得到400f ≈Hz ，输出波形为正弦波。电路图如图2所示：

图2 文氏电桥振荡电路

2.缓冲放大电路

文氏电桥振荡电路产生的正弦波的振幅为大于A/D 转换电路的输入电压，因此要经过缓冲电路进行电压的衰减。把频率为400hz 的信号经TL062型运放构成缓冲放大器，其电压增益为-()65/RP R R +，Rp 为电容表的校准电位器，调节Rp 可以改变U2A 的电压增益。电路如图3所示：

图3 缓冲放大电路

3．电容电压转换电路

IC2A 为电压放大器，其特点是负反馈电阻（711R R ）的阻值依电容量程而定，并且以被测电容的容抗C X 成反比，其公式为i F x O U R jwc U .

.

-=。输出电压则与X C 成正比即x O KC U =.

。电路中四个二极管的作用是保护待测电容防止电压过大损坏电容。电路图如图4所示

图4 电容电压转换电路

4．滤波电路

IC2B 为二阶有源滤波器，由121434~,R R C C 组成，其中心频率为

)

0312131/21/1/f C R R π=+。因为有源带通滤波器只让400Hz,信号通过，能滤除其他频率的杂波干扰。使IC2B 的输出电压为400Hz 的正弦波。电路图如图5所示：

图5 滤波电路图

5. 交、直流电压转换电路

电路由TL061与二极管VD1，VD2组成平均值响应的线性整流电路，能消除二极管在小型号整流时所引起的非线性电压与AC/DC 转换器的输出电压成线性关系。电路中的1R 是TL061的同乡输入端。23R R 为负反馈电阻，可将IC2偏置在线性放大区。提高AC/DC 转换器的输入阻抗，IC2接同相放大器，12C C 为隔直电容。由55R C 组成的组成的平滑滤波器可滤除交流波纹，高频干扰信号则被由76R C 构成的高频滤波器滤掉。从而获得稳定的平均值电压。再通过A/D.驱动LED 显示。电路图如图6所示：

图6交、直流电压转换电路

6. 计数、译码显示电路。由通过A/D.驱动LED显示，如电路如图7所示。

ICL7107的性能特点:

(1)采用+5V电源供电，有助于实现仪表的小型化，低功耗。

(2)输入阻抗高。

(3)属于双积分是A/D转换器，A/D转换准确度可达到+0.05%,转换速率通常选2~5次/s。

(4)外围电路简单，其抗干扰能力强，可靠性高。

图7计数、译码显示电路。

四、性能的测试

在Multism中连接好电路图，将开关依次拨到2uf,和20uf的电容挡，来测量相应的电容。开始仿真，等电压表示数稳定后，读出电压表示数，multism仿真图如图8所示。测量数据如表1所示：

图8 multism仿真图

表2 测量数据表

1，文氏电桥电路测试。由图可知其满足设计要求。产生的正弦波数值如图8所示，

图9.正弦波的频率

2，缓冲放大电路测试。由图可看出，信号的原始振幅为12V 左右，经过缓冲放大电路后

振幅变为240mv 左右。缩减50倍。正好符合理论计算-()65/RP R R +。它的测试结果如9所示：

图10 衰减电路波形

3.电容电压转换电路测试

上面的波形是从电容电压转换电路输出的波形，由图可看信号严重失真，不是单一的正弦波。因此需要进行滤波。电容电压转换电路测试结果如10图所示：

图11电容电压转换电路输出波形

4．滤波电路测试。滤波的目的滤去其他频率成分，提取400hz的正弦波。上面的波形是信号经滤波电路的输出信号，下面的波形是电容电压转换电路的输出信号，此时可看出，输出信号是一个的非失真正弦波。滤波电路的测试结果如图11所示：