基于单片机微弱电容测量电路设计(附件)【字数：10866】
摘 要现如今的数字电子发展突飞猛进,各种各样的电子元器件被运用在很多领域，其运用范围也随之增大，这对电容的精度提出了更高的要求。测量电容的方法有很多种，可以利用RLC电桥法，运算放大法，电流电压法和RC振荡器法来检测电容。每个领域对电容精度的要求也不一样，为了方便操作，一些对精度要求不高的领域选择RC振荡器法，RC振荡器法是应用范围非常广的方法。但是很多时候我们需要得到精确度比较高的电容大小，有时候这种方法不能达到我们的要求，比如说测量PF级电容时。微弱电容的测量电路中存在杂散电容，会影响到被测电容的变化量，增加了测量的难度，也增加了测量的不可操作性。这个问题在接下来章节中有所讨论。微弱电容对激励源输入的信号变化基本没有响应，这种情况需要将微弱电容经过转换系统将其转换为交流信号，然后再检测。先经过公式计算得出电容的大小，另外一个要求是在电路中显示出来该数值。本文利用电荷放大法，结合测量要求，检测微弱电容信号量变化的值，推导出用电荷放大器检测电容方法，并且降低噪声，推动了电路的普及。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 目前的研究现状 1
1.2 常见的电容检测设计 1
1.2.1 电桥法 1
1.2.2 调频法 1
1.2.3 电荷放大法 2
1.3 设计任务与要求 2
第二章 电容检测系统 3
2.1 设计框架 3
2.2 检测系统基本原理 3
2.3 微弱电容检测系统的杂散性 4
2.4 T形电阻网络 4
2.5 电容检测电路MULTISIM仿真 5
第三章 交流信号发生器电路设计 7
3.1 信号发生电路 7
3.1.1 信号波形的选择 7
3.1.2 常见的信号产生电路 7
3.2 晶体振荡电路 8
3.3 全波整流电路设计 9
3.3.1 全波整流电路 9
3.3.2 全波整流电路的MULTISIM仿真 10
第四章 低通滤波电路设计 12
4.1 低通滤波器的选择 12
4.1.1 低通滤波器的类型选择 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
12
4.1.2 低通滤波器级数的选择 12
4.2 低通滤波电路及其仿真 12
第五章 AD转换电路及MCU控制电路 14
5.1 AD转换电路 14
5.2 MCU控制电路 15
5.2.1 MSP430超低功耗单片机 15
5.2.2 电源电路 15
5.2.3 晶振电路 16
5.2.4 复位电路和JTAG接口电路 16
5.2.5 串口通信电路 16 5.3 电源电路 17
5.4 硬件电路的抗杂散设计 17
第六章 微弱电容检测系统的性能分析 19
6.1 性能指标 19
6.2 信号发生器的波形测试 19
6.3 检测电路的性能检测分析 20
6.3.1 检测分析的目的 20
6.3.2 检测内容 20
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1 目前的研究现状
现在，测量电容的方法数不胜数，也衍生出很多与之相对应的电路设计方法。经常能接触到的方法有如下四种RLC电桥法，RC振荡器法，运算放大法，电流电压法。不同的精度要求适用于不同的地方。为达到方便的目的选用RC振荡器法，但仅限于一些低精度领域。当我们需要测量PF级的电容时，对电容的精度要求就非常高，此时RC振荡器法的精度不够，应考虑其它方法。微弱电容的测量需要注意一些问题，例如杂散电容对电路的影响，当电路中存在较多的杂散电容时，就会加大检测电容的难度，甚至检测不到。下面列举三种检测微弱电容的方法，并进行了详细的解析。
1.2 常见的电容检测设计
1.2.1 电桥法
一般情况下，电桥法采用RC或LC电桥，运用改变桥臂的阻抗来达到电桥平衡的目的。实验需要将电容量的变化转换成电压值的变化，可以把电桥两端的电压和振幅设置为相同的值。待测电容要与电压的变化量成正比，还需要滤除电路中的杂波，这种方法误差较小，缺点是噪音高，所以还需消除噪音。所以精确要求较高时采用这种方法。本实验对电气量的要求比较高，想要使电压的幅度和频率满足要求不太现实，电路的仿真失真的重要原因是抗杂散性能不够。
1.2.2 调频法
调频法的原理是通过电容和频率的互相转换，进而检测待测电容。与电桥法的共同点是也运用到了RC电路和LC电路，调频法的原理是利用反计算的方法，先把待测电容接入电路中，电容的大小等于谐振频率的变化量，最后将电路中的各项数据计算出来，利用相关公式把频率转换成电压值。原理如图11所示。
图11调频法原理框图
如图可知该方法的结构比较清晰明了，很容易实现AD转换，在拥有高的振荡频率的同时灵敏度也在合适的范围，所以可以和微机进行直接连接。需要注意到该过程包括了传感器的电容，电容值本质上是谐振电路的电容值，掺杂的电容会导致抗杂散性能降低，还存在其它缺点，例如稳定性差，线性和精度低，甚至有温漂现象出现。
1.2.3 电荷放大法
由于输入的阻抗Ω很高，可以将其作为理想的电容测量电路，且运放的放大倍数为α。我们只要保证α、Ω的值有一定大小，没有数值出入电路，就可以保证精确度。电荷放大法的特点是电容检测电路虽然是非线性的，有一个缺点是电源电压比较低，就会导致灵敏度低，所以导致了输出的信号就很不稳定，进而影响到运放本身。本实验对电荷放大法的电路进行了适当的改进，其改进的电路原理图如图12所示。
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图12电荷放大电路
图中CX是待测电容,Cf是标准电容，在Cf上并联Rf反馈电阻，激励源采用交流信号源。电荷放大器与普通的运放有本质性的区别，因为用电荷放大器检测电路时跟信号源无关，而且输出恒压，最关键的是电路稳定。
电荷放大器法有很强的自我调节能力。最显著的地方是它可以通过调节运放来提高电路的精确度。一个重要的作用是可以有效消除杂散电容的影响，灵敏度高，分辨率强。为了使系统电路的性能更加完善，在系统上增加一个上兆赫兹的电源，方便后续测量，再加一个高性能的运放。
1.3 设计任务与要求
（1）设计运用电荷放大器的电容检测电路；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 目前的研究现状 1
1.2 常见的电容检测设计 1
1.2.1 电桥法 1
1.2.2 调频法 1
1.2.3 电荷放大法 2
1.3 设计任务与要求 2
第二章 电容检测系统 3
2.1 设计框架 3
2.2 检测系统基本原理 3
2.3 微弱电容检测系统的杂散性 4
2.4 T形电阻网络 4
2.5 电容检测电路MULTISIM仿真 5
第三章 交流信号发生器电路设计 7
3.1 信号发生电路 7
3.1.1 信号波形的选择 7
3.1.2 常见的信号产生电路 7
3.2 晶体振荡电路 8
3.3 全波整流电路设计 9
3.3.1 全波整流电路 9
3.3.2 全波整流电路的MULTISIM仿真 10
第四章 低通滤波电路设计 12
4.1 低通滤波器的选择 12
4.1.1 低通滤波器的类型选择 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
12
4.1.2 低通滤波器级数的选择 12
4.2 低通滤波电路及其仿真 12
第五章 AD转换电路及MCU控制电路 14
5.1 AD转换电路 14
5.2 MCU控制电路 15
5.2.1 MSP430超低功耗单片机 15
5.2.2 电源电路 15
5.2.3 晶振电路 16
5.2.4 复位电路和JTAG接口电路 16
5.2.5 串口通信电路 16 5.3 电源电路 17
5.4 硬件电路的抗杂散设计 17
第六章 微弱电容检测系统的性能分析 19
6.1 性能指标 19
6.2 信号发生器的波形测试 19
6.3 检测电路的性能检测分析 20
6.3.1 检测分析的目的 20
6.3.2 检测内容 20
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1 目前的研究现状
现在，测量电容的方法数不胜数，也衍生出很多与之相对应的电路设计方法。经常能接触到的方法有如下四种RLC电桥法，RC振荡器法，运算放大法，电流电压法。不同的精度要求适用于不同的地方。为达到方便的目的选用RC振荡器法，但仅限于一些低精度领域。当我们需要测量PF级的电容时，对电容的精度要求就非常高，此时RC振荡器法的精度不够，应考虑其它方法。微弱电容的测量需要注意一些问题，例如杂散电容对电路的影响，当电路中存在较多的杂散电容时，就会加大检测电容的难度，甚至检测不到。下面列举三种检测微弱电容的方法，并进行了详细的解析。
1.2 常见的电容检测设计
1.2.1 电桥法
一般情况下，电桥法采用RC或LC电桥，运用改变桥臂的阻抗来达到电桥平衡的目的。实验需要将电容量的变化转换成电压值的变化，可以把电桥两端的电压和振幅设置为相同的值。待测电容要与电压的变化量成正比，还需要滤除电路中的杂波，这种方法误差较小，缺点是噪音高，所以还需消除噪音。所以精确要求较高时采用这种方法。本实验对电气量的要求比较高，想要使电压的幅度和频率满足要求不太现实，电路的仿真失真的重要原因是抗杂散性能不够。
1.2.2 调频法
调频法的原理是通过电容和频率的互相转换，进而检测待测电容。与电桥法的共同点是也运用到了RC电路和LC电路，调频法的原理是利用反计算的方法，先把待测电容接入电路中，电容的大小等于谐振频率的变化量，最后将电路中的各项数据计算出来，利用相关公式把频率转换成电压值。原理如图11所示。
图11调频法原理框图
如图可知该方法的结构比较清晰明了，很容易实现AD转换，在拥有高的振荡频率的同时灵敏度也在合适的范围，所以可以和微机进行直接连接。需要注意到该过程包括了传感器的电容，电容值本质上是谐振电路的电容值，掺杂的电容会导致抗杂散性能降低，还存在其它缺点，例如稳定性差，线性和精度低，甚至有温漂现象出现。
1.2.3 电荷放大法
由于输入的阻抗Ω很高，可以将其作为理想的电容测量电路，且运放的放大倍数为α。我们只要保证α、Ω的值有一定大小，没有数值出入电路，就可以保证精确度。电荷放大法的特点是电容检测电路虽然是非线性的，有一个缺点是电源电压比较低，就会导致灵敏度低，所以导致了输出的信号就很不稳定，进而影响到运放本身。本实验对电荷放大法的电路进行了适当的改进，其改进的电路原理图如图12所示。
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图12电荷放大电路
图中CX是待测电容,Cf是标准电容，在Cf上并联Rf反馈电阻，激励源采用交流信号源。电荷放大器与普通的运放有本质性的区别，因为用电荷放大器检测电路时跟信号源无关，而且输出恒压，最关键的是电路稳定。
电荷放大器法有很强的自我调节能力。最显著的地方是它可以通过调节运放来提高电路的精确度。一个重要的作用是可以有效消除杂散电容的影响，灵敏度高，分辨率强。为了使系统电路的性能更加完善，在系统上增加一个上兆赫兹的电源，方便后续测量，再加一个高性能的运放。
1.3 设计任务与要求
（1）设计运用电荷放大器的电容检测电路；
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