论文部分内容阅读
摘 要：本文所阐述的小电容简易测试仪是基于MAX038设计出来的，其设计原理是以MAX038的外接电容作为测试电容，产生相应的频率信号输出，由TM4C123GH6PM完成等精度测量频率并计算所测试电容值。为了提高精度，数据用最小二乘法分段拟合，在高精度电容测试仪和简易测试仪之间进行比较测试，以实现自动修正并显示测量结果。测试仪可以检测10 pF～1μF的电容。试验结果表明，测试仪运行稳定， 测量速度快，精度可达到一级。
关键词：MAX038 小电容测试 TM4C123GH6PM 等精度频率测量
本文通过研究标准函数信号的生成及信号频率和电容值之间的关系，设计出基于MAX038的便携式电容测试仪。在设计中，应用数字信号处理技术和误差纠正的方法，使测试仪运行更快、更准确。它不仅可以作为一般便携式电容测试仪应用，也可作为适合学生的课题，在实践中反复修正达到更好。
1 硬件组件和小电容简易测试仪的工作原理
本文设计的电容测试系统包括电源模块、函数信号发生器模块、电压调节模块、TM4C123GH6PM控制系统和显示模块，系统结构如图1所示。其中，电源模块提供给函数发生器MAX038 ±5V的电源，同时使用低压差电压调节器LM1117，使电压从5 V降至3.3 V，同时也为TM4C123GH6PM提供电源；MAX038函数信号发生器可以提供一个精确的方波信号，其频率与测量电容相关，该方波信号被放大后，其频率可由TM4C123GH6PM控制系统估算出来，然后换算为测量电容的电容值，最后显示在液晶屏幕上。
2 信号发生器和频率范围的选择
2.1 信号发生器MAX038
信号产生模块的功能是生成一个精确的信号，其频率与电容器相关联，通过测量信号的频率，可以求出电容的值。本设计中采用的MAX038是一种低失真、高频率、高精度的单片集成函数信号发生器，它借助少量的外部组件，可以产生准确的高频三角波、正弦波、方波，其输出频率范围是0.1Hz至20 Mhz。MAX038输出信号的频率，依据当前的系统和外部振荡电容由输入电压UFADJ调整得到。
当UFADJ = 0 V时，在网络系统终端与参考电压的输出终端之间连接一个电阻RIN，输出振荡频率fo=UREF/RINCf。
Cf即为MAX038外接部分的待测电容。
2.2 频率范围的选择
在这个测试系统中，在放大的前提下，要使测量值尽可能大，外部电阻器RIN应该满足两个条件：第一，MAX038的输出频率不能太低，否则等精度频率测量的测量精度将降低，比如，输出频率为50Hz，外部电阻RIN不应超过5 kΩ。第二，在确保输出频率不超过20 MHz的情况下，可以尝试增大电阻，但也应该考虑到系统的最佳工作电流范围。基于上述因素的测试系统中，三个外接电阻值将外接电容测量分为两个区间：RIN = 12.5 KΩ划分 1μF ～ 1nF；RIN= 25 kΩ 划分1000 pF ～ 10 pF。
3 放大调节模块
由MAX038放大的方波信号输出之后，其振幅被TM4C123GH6PM接收。模块连接到同相位的AD8048放大电路，调节放大电路增益，使电容为10 pF时，由MAX038输出3 V的电压信号。
4 TM4C123控制模块
由TM4C123GH6PM微控制器组成的控制系统能实现两个主要功能：第一，使用等精度频率测量方法测量MAX038输出的方波频率；第二，应用最小二乘法拟合和一致性修正方法，可以准确地计算和显示测量电容值。精密频率测量的波形如图2所示。
TM4C123GH6PM内部生成一个门信号，门信号期间，计数器A和计数器B分别计数测量信号（方波频率fx）和标准频率信号（定时频率fc），假设在设定时间T内，fx计数为NA，fc计数是NB。可以得到：fx=fcNA/NB。
门信号T = 1s时，被测信号的计数值NA就是被测电容频率的输出值，即
fx=NA。
因此，实际的电路设计不需要定时频率fc，因为方波的频率可以通过计数器A获得。当TM4C123GH6PM把估算频率值代入公式，就可以获得并显示测量的电容值。
5 电容测试仪软件的设计
系统软件设计包括两个模块，即主功能和定时器中断功能。前者主要涉及微控制器TM4C123GH6PM，包括配置初始化，显示控制初始化和中断初始化；计算信号频率和电容值。而后者主要用于定时。
当主程序检测到被测信号的上升沿，计数器清零，同时定时器中断1秒，然后会产生1秒的同步信号，并对MAX038输出的放大方波信号进行计数。
6 最小二乘法分段拟合
为了提高测试的准确性，使用最小二乘法处理两个测试电容器，运用MATLAB的公式 C = a / f + b，使其形成一个拟合曲线。拟合公式参数和曲线在图3中标示出。拟合公式写入TM4C123GH6PM，可以根据不同的取值估算电容值。通过多次估算，找出平均值，以减少随机误差，并使用高精度测试仪进行比较测试，纠正系统错误。
7 测试结果和误差分析
7.1 测试原理
用高精度的测试仪和简易测试仪分别检查相同的测试源，比较二者的测试情况。测试原理如图4所示。
7.2 高精度的测试仪测试情况
使用TH2821A手持LCR数字电桥作为测试仪器，电容测试范围： 1pF～ 9999μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF ～ 999.9μF；测量精度是0.3%。
7.3 简易测试仪测量结果
从测量结果可以看到：在10 pf ～ 1μf的范围内，最大误差值出现在标准电容值为1.037μf时，即0.87%，该测试仪的测量精度是一级。
8 结论
基于MAX038函数信号发生器的简易小电容测试仪，将函数信号发生器的外接电容作为测量电容，它可以产生相应的频率信号输出，根据外部电阻的测量频率值，我们可以计算出电容值，使用最小二乘法和一致性修正方法来提高测试的准确性。试验结果表明：在10 pf ～ 1μf的范围内，测试精度为一级。测试仪可以快速和更准确地测量电容值，并可以作为一般便携式小电容测试仪使用。
参考文献
[1]苏梁，便携式电容测试仪的设计与研究 [D]，华中科技大学，2007.
[2] 刘军、李智，基于单片机的高精度电感、电容测试[J] 研究与开发，2007，26（6）：48-51.
[3] 沈晓顾，使用脉冲计数方法测量电容单片机[J]，上海理工学院，2006年6（4）：290 - 293.
[4] Y. Geng， J. Chen， K. Pahlavan，使用射频信号作为第一响应应急操作的动态检测，移相器项目，个人室内移动无线电通信国际研讨会（PIMRC）， 英国，伦敦， 2013年9月.
[5] Y. Geng，J. He，K. Pahlavan， 基于TOA室内人体跟踪的人体建模影响 [J]，无线信息网络20（4），306 – 317.
责任编辑 张 莹
关键词：MAX038 小电容测试 TM4C123GH6PM 等精度频率测量
本文通过研究标准函数信号的生成及信号频率和电容值之间的关系，设计出基于MAX038的便携式电容测试仪。在设计中，应用数字信号处理技术和误差纠正的方法，使测试仪运行更快、更准确。它不仅可以作为一般便携式电容测试仪应用，也可作为适合学生的课题，在实践中反复修正达到更好。
1 硬件组件和小电容简易测试仪的工作原理
本文设计的电容测试系统包括电源模块、函数信号发生器模块、电压调节模块、TM4C123GH6PM控制系统和显示模块，系统结构如图1所示。其中，电源模块提供给函数发生器MAX038 ±5V的电源，同时使用低压差电压调节器LM1117，使电压从5 V降至3.3 V，同时也为TM4C123GH6PM提供电源；MAX038函数信号发生器可以提供一个精确的方波信号，其频率与测量电容相关，该方波信号被放大后，其频率可由TM4C123GH6PM控制系统估算出来，然后换算为测量电容的电容值，最后显示在液晶屏幕上。
2 信号发生器和频率范围的选择
2.1 信号发生器MAX038
信号产生模块的功能是生成一个精确的信号，其频率与电容器相关联，通过测量信号的频率，可以求出电容的值。本设计中采用的MAX038是一种低失真、高频率、高精度的单片集成函数信号发生器，它借助少量的外部组件，可以产生准确的高频三角波、正弦波、方波，其输出频率范围是0.1Hz至20 Mhz。MAX038输出信号的频率，依据当前的系统和外部振荡电容由输入电压UFADJ调整得到。
当UFADJ = 0 V时，在网络系统终端与参考电压的输出终端之间连接一个电阻RIN，输出振荡频率fo=UREF/RINCf。
Cf即为MAX038外接部分的待测电容。
2.2 频率范围的选择
在这个测试系统中，在放大的前提下，要使测量值尽可能大，外部电阻器RIN应该满足两个条件：第一，MAX038的输出频率不能太低，否则等精度频率测量的测量精度将降低，比如，输出频率为50Hz，外部电阻RIN不应超过5 kΩ。第二，在确保输出频率不超过20 MHz的情况下，可以尝试增大电阻，但也应该考虑到系统的最佳工作电流范围。基于上述因素的测试系统中，三个外接电阻值将外接电容测量分为两个区间：RIN = 12.5 KΩ划分 1μF ～ 1nF；RIN= 25 kΩ 划分1000 pF ～ 10 pF。
3 放大调节模块
由MAX038放大的方波信号输出之后，其振幅被TM4C123GH6PM接收。模块连接到同相位的AD8048放大电路，调节放大电路增益，使电容为10 pF时，由MAX038输出3 V的电压信号。
4 TM4C123控制模块
由TM4C123GH6PM微控制器组成的控制系统能实现两个主要功能：第一，使用等精度频率测量方法测量MAX038输出的方波频率；第二，应用最小二乘法拟合和一致性修正方法，可以准确地计算和显示测量电容值。精密频率测量的波形如图2所示。
TM4C123GH6PM内部生成一个门信号，门信号期间，计数器A和计数器B分别计数测量信号（方波频率fx）和标准频率信号（定时频率fc），假设在设定时间T内，fx计数为NA，fc计数是NB。可以得到：fx=fcNA/NB。
门信号T = 1s时，被测信号的计数值NA就是被测电容频率的输出值，即
fx=NA。
因此，实际的电路设计不需要定时频率fc，因为方波的频率可以通过计数器A获得。当TM4C123GH6PM把估算频率值代入公式，就可以获得并显示测量的电容值。
5 电容测试仪软件的设计
系统软件设计包括两个模块，即主功能和定时器中断功能。前者主要涉及微控制器TM4C123GH6PM，包括配置初始化，显示控制初始化和中断初始化；计算信号频率和电容值。而后者主要用于定时。
当主程序检测到被测信号的上升沿，计数器清零，同时定时器中断1秒，然后会产生1秒的同步信号，并对MAX038输出的放大方波信号进行计数。
6 最小二乘法分段拟合
为了提高测试的准确性，使用最小二乘法处理两个测试电容器，运用MATLAB的公式 C = a / f + b，使其形成一个拟合曲线。拟合公式参数和曲线在图3中标示出。拟合公式写入TM4C123GH6PM，可以根据不同的取值估算电容值。通过多次估算，找出平均值，以减少随机误差，并使用高精度测试仪进行比较测试，纠正系统错误。
7 测试结果和误差分析
7.1 测试原理
用高精度的测试仪和简易测试仪分别检查相同的测试源，比较二者的测试情况。测试原理如图4所示。
7.2 高精度的测试仪测试情况
使用TH2821A手持LCR数字电桥作为测试仪器，电容测试范围： 1pF～ 9999μF；1 kHz，10 kHz：0.1 pF ～ 999.9μF；测量精度是0.3%。
7.3 简易测试仪测量结果
从测量结果可以看到：在10 pf ～ 1μf的范围内，最大误差值出现在标准电容值为1.037μf时，即0.87%，该测试仪的测量精度是一级。
8 结论
基于MAX038函数信号发生器的简易小电容测试仪，将函数信号发生器的外接电容作为测量电容，它可以产生相应的频率信号输出，根据外部电阻的测量频率值，我们可以计算出电容值，使用最小二乘法和一致性修正方法来提高测试的准确性。试验结果表明：在10 pf ～ 1μf的范围内，测试精度为一级。测试仪可以快速和更准确地测量电容值，并可以作为一般便携式小电容测试仪使用。
参考文献
[1]苏梁，便携式电容测试仪的设计与研究 [D]，华中科技大学，2007.
[2] 刘军、李智，基于单片机的高精度电感、电容测试[J] 研究与开发，2007，26（6）：48-51.
[3] 沈晓顾，使用脉冲计数方法测量电容单片机[J]，上海理工学院，2006年6（4）：290 - 293.
[4] Y. Geng， J. Chen， K. Pahlavan，使用射频信号作为第一响应应急操作的动态检测，移相器项目，个人室内移动无线电通信国际研讨会（PIMRC）， 英国，伦敦， 2013年9月.
[5] Y. Geng，J. He，K. Pahlavan， 基于TOA室内人体跟踪的人体建模影响 [J]，无线信息网络20（4），306 – 317.
责任编辑 张 莹