电容测量电路及装置的制作方法

本实用新型涉及电容测量技术领域，具体而言，涉及一种电容测量电路及装置。

背景技术：

随着电子技术的快速发展，便捷的电容测量方法的需求越来越迫切，特别是微弱电容的检测在应用中具有更大的价值，例如在化纤行业中，经常需要测定油的浓度，实际测量时经常转换为对电容量的测量。目前常用的电容测量仪器，大多是模拟电路，如电桥电路等，其测量方法主要是通过电感耦合交流电桥、双T网络等。这些方法虽然能进行精密电容测量，但是需要有高精度的标准电容和熟练的调节平衡，仪器结构复杂，操作不便，难以满足实际的应用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电容测量电路及装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电容测量电路，包括函数发生器、电容电压转换电路、交流放大电路、整流滤波电路、单片机最小系统及显示器，所述电容电压转换电路包括运算放大器、参考电容和反馈电阻，所述单片机最小系统包括电性连接的单片机、时钟电路、复位电路、扩展按键和电源；

待测电容连接在所述函数发生器的输出端和所述运算放大器的正极之间，所述运算放大器的负极接地，所述参考电容的一端与所述运算放大器的正极连接、另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述反馈电阻与所述参考电容并联；

所述交流放大电路连接在所述运算放大器的输出端和所述整流滤波电路之间，所述单片机最小系统与所述整流滤波电路和所述显示器分别连接；

所述函数发生器输出频率为10KHz的正弦信号，所述参考电容的电容值为1uF，所述反馈电阻的阻值为1MΩ。

可选地，整流滤波电路的滤波范围设置为1KHz至20KHz之间。

可选地，所述交流放大电路的放大倍数为10³、10⁴、10⁵或10⁶倍。

可选地，所述单片机为STC51单片机。

可选地，所述单片机采用LQFP-44封装STC12C5A60S2。

可选地，所述显示器为NOKIA5110显示屏。

可选地，所述扩展按键采用标准4×4键盘。

一种电容测量装置，所述电容测量装置包括封装外壳、PCB板和上述的电容测量电路，所述封装外壳是由顶面、底面、第一侧面、第二侧面、第三侧面、和第四侧面围合而成的立方体结构，所述函数发生器、电容电压转换电路、交流放大电路、整流滤波电路及单片机最小系统通过PCB板连接并设置在所述封装外壳内，所述显示器和扩展按键设置于所述顶面；

所述第三侧面上设置有第一引脚和第二引脚，所述函数发生器的输出端和所述第一引脚连接，所述运算放大器的正极与所述第二引脚连接，所述待测电容通过所述第一引脚和第二引脚与所述函数发生器的输出端和所述运算放大器的正极连接。

可选地，所述第二侧面开设有多个第一散热孔，所述第四侧面开设有多个第二散热孔，所述多个第二散热孔与所述多个第一散热孔相对设置，所述电源包括充电接头，所述充电接头设置在所述第一侧面。

可选地，所述底面设置有多个第三散热孔、多个第四散热孔和多个减震橡胶垫，所述多个第三散热孔沿所述第二侧面和底面的公共边的延伸方向设置，所述多个第四散热孔沿所述第四侧面和底面的公共边的延伸方向设置，所述多个减震橡胶垫沿所述第一侧面和底面的公共边以及所述第三侧面和底面的公共边的延伸方向设置。

本实用新型提供的电容测量电路及装置，通过扩展按键设置函数发生器输出的正弦信号的频率和幅度，所述正弦信号作用到待测电容上，并经过电容电压转换电路，转换为相应的电压量，该电压量经过交流放大电路进行线性放大，以达到正常处理的伏级电压信号，放大后的电压经过整流滤波电路后输出为纯净的直流电平信号，该直流电平信号被单片机采集、计算和处理后送显示器进行显示。该电容测量电路及装置，电路简单，操作简便，满足实际的应用需要。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种电容测量电路的方框示意图。

图2为图1中电容电压转换电路的电路连接图。

图3为图1中单片机最小系统的方框示意图。

图4为本实用新型实施例提供的一种电容测量装置的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种电容测量装置的另一视角的结构示意图。

图标：10-函数发生器；20-电容电压转换电路；30-交流放大电路；40-整流滤波电路；50-单片机最小系统；60-显示器；U1-运算放大器；C1-参考电容；R1-反馈电阻；51-单片机；52-时钟电路；53-复位电路；54-扩展按键；55-电源；Cx-待测电容；200-封装外壳；201-顶面；203-底面；205-第一侧面；207-第二侧面；209-第三侧面；211-第四侧面；2091-第一引脚；2093-第二引脚；2071-第一散热孔；2111-第二散热孔；551-充电接头；2031-第三散热孔；2033-第四散热孔；2035-减震橡胶垫。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参阅图1，本实用新型实施例提供一种电容测量电路，包括函数发生器10、电容电压转换电路20、交流放大电路30、整流滤波电路40、单片机最小系统50及显示器60。

其中，函数发生器10是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。可选地，在本实施例中，所述函数发生器10输出一定频率和幅度的正弦信号。所述正弦信号的频率一般设置为数KHz，幅值不可太大，避免采集的正弦信号饱和。

所述电容电压转换电路20用于将待测电容Cx容量转换为对应的电压量，用于后期的信号处理。请结合参阅图2，所述电容电压转换电路20包括运算放大器U1、参考电容C1和反馈电阻R1。待测电容Cx连接在所述函数发生器10的输出端和所述运算放大器U1的正极之间，所述运算放大器U1的负极接地。所述参考电容C1的一端与所述运算放大器U1的正极连接、另一端与所述运算放大器U1的输出端连接，所述反馈电阻R1与所述参考电容C1并联。

假设函数发生器10输出的正弦信号的幅度为U_i、频率为w，电容电压转换电路20输出信号的幅度为U_o，则:

式中，U_o表示电容电压转换电路20输出信号的幅度，w表示函数发生器10输出的正弦信号的频率，R1表示反馈电阻R1的阻值，Cx表示待测电容Cx的电容值，C1表示参考电容C1的电容值，U_i表示函数发生器10输出的正弦信号的幅度。

可选地，所述函数发生器10输出频率为10KHz的正弦信号，所述参考电容C1的电容值为1uF，所述反馈电阻R1的阻值为1MΩ。

由于10⁴j的值远远大于1，则由上式可得：

U_o＝-10⁶CxU_i

因而可以根据U_o和U_i求得待测电容Cx的电容值Cx。

所述交流放大电路30连接在所述运算放大器U1的输出端和所述整流滤波电路40之间。交流放大电路30用于实现电容电压转换电路20输出交流电压的线性放大。所述交流放大电路30可以是以运放为核心，实现反相比例放大或者同相比例放大的常规的交流放大电路30。所述交流放大电路30的放大倍数根据具体情况灵活设置。例如，所述交流放大电路30的放大倍数可以设置为10³、10⁴、10⁵或10⁶倍。可选地，所述交流放大电路30包括反向比例放大器，则两个反向即可将输出信号变为同相。

整流滤波电路40用于实现交流电压的整流和高频干扰信号的滤除。由于经过交流放大电路30放大后，输出为交流电压，该电压无法直接被后期的单片机最小系统50采集，因此需要转换为直流量，所以需要整流滤波电路40。同时，电路中或多或少存在一定的干扰信号，如常规的50Hz工频干扰以及其它可能存在的干扰信号，滤波电路可以滤除该干扰信号。可选地，整流滤波电路40的滤波范围设置为1KHz至20KHz之间，以使函数发生器10输出频率处于整流滤波电路40的通带内。

所述单片机最小系统50与所述整流滤波电路40和所述显示器60分别连接。请参阅图3，所述单片机最小系统50包括电性连接的单片机51、时钟电路52、复位电路53、扩展按键54和电源55，用于实现整个电容测量过程的控制、数组采集、运算和显示。

可选地，所述单片机51为STC51单片机51。所述单片机51采用LQFP-44封装STC12C5A60S2。STC12C5A60S2采用增强型8051内核，36个普通IO口，8路10位的AD转换器，转速速度可达250K/S以及一些其它的标准外设等，完全可以满足本系统需求。

可选地，所述扩展按键54采用标准4×4键盘，用于人机交互时的输入按键。

可选地，所述显示器60为NOKIA5110显示屏。NOKIA5110显示屏仅需四根IO线即可驱动，显示速度是一般LCD12864或LCD1602的几十倍。采用NOKIA5110显示屏以代替常规的LCD1602，其具有性价比高、接口简单，速度快、工作电压低，功耗低等特点，该模块用于数据的显示以及人机交互时的输出显示。

通过上述设置，在进行电容测量时，通过扩展按键54设置函数发生器10输出的正弦信号的频率和幅度。所述正弦信号作用到待测电容Cx上，并经过电容电压转换电路20，转换为相应的电压量。该电压量经过交流放大电路30进行线性放大，以达到正常处理的伏级电压信号。放大后的电压经过整流滤波电路40后输出为纯净的直流电平信号，该直流电平信号被单片机51采集、计算和处理后送显示器60进行显示。可选地，该直流电平信号在0V到3.3V之间，即可通过单片机51直接采集。

请参阅图4和图5，本实用新型实施例还提供一种电容测量装置，所述电容测量装置包括封装外壳200、PCB板和上述的电容测量电路。

所述封装外壳200是由顶面201、底面203、第一侧面205、第二侧面207、第三侧面209、和第四侧面211围合而成的立方体结构。所述函数发生器10、电容电压转换电路20、交流放大电路30、整流滤波电路40及单片机最小系统50通过PCB板连接并设置在所述封装外壳200内，所述显示器60和扩展按键54设置于所述顶面201。

所述第三侧面209上设置有第一引脚2091和第二引脚2093，所述函数发生器10的输出端和所述第一引脚2091连接，所述运算放大器U1的正极与所述第二引脚2093连接。在进行电容测量时，所述待测电容Cx通过所述第一引脚2091和第二引脚2093与所述函数发生器10的输出端和所述运算放大器U1的正极连接。

可选地，所述第二侧面207开设有多个第一散热孔2071，所述第四侧面211开设有多个第二散热孔2111，所述多个第二散热孔2111与所述多个第一散热孔2071相对设置。所述电源55包括充电接头551，所述充电接头551设置在所述第一侧面205。

可选地，所述底面203设置有多个第三散热孔2031、多个第四散热孔2033和多个减震橡胶垫2035。所述多个第三散热孔2031沿所述第二侧面207和底面203的公共边的延伸方向设置。所述多个第四散热孔2033沿所述第四侧面211和底面203的公共边的延伸方向设置。所述第三散热孔2031和第四散热孔2033分别与所述第一散热孔2071和第二散热孔2111形成对流，以加强散热。所述多个减震橡胶垫2035沿所述第一侧面205和底面203的公共边以及所述第三侧面209和底面203的公共边的延伸方向设置。采用减震橡胶垫2035起缓冲、减震的作用，可以避免封装外壳200内的电容测量电路因撞击而损坏。并且，在充电时，该减震橡胶垫2035能将电容测量装置的底面203与桌面隔开，加强通风和散热。

本实用新型提供的电容测量电路，通过扩展按键54设置函数发生器10输出的正弦信号的频率和幅度，所述正弦信号作用到待测电容Cx上，并经过电容电压转换电路20，转换为相应的电压量，该电压量经过交流放大电路30进行线性放大，以达到正常处理的伏级电压信号，放大后的电压经过整流滤波电路40后输出为纯净的直流电平信号，该直流电平信号被单片机51采集、计算和处理后送显示器60进行显示。该电容测量电路，电路简单，操作简便，满足实际的应用需要。

本实用新型提供的电容测量装置包括上述电容测量电路，因而具有与该电容测量电路类似的有益效果。并且，该电容测量装置通过封装外壳200巧妙地将所述电容测量电路集成，使得该电容测量装置便于使用且散热效果好。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。