本发明涉及电容检测电路，具体涉及采用变压器电桥平衡电路测量小电容的电路。
背景技术
目前，小容量电容器受到电子行业越来越多的推崇，其需求量也越来越大。企业为了进一步降低成本，对电容的检测提出了更高要求，现在国内企业常用的电容检测仪有hp-4278a、lcr101和cdf-x。但是这些测量设备测量速度较慢，都不能对测量的数据进行记录、统计和分析。因此，科技人员和用户对现有的电容测量仪器进行了改进和改造。
现有的专利《电容检测装置》专利号：cn102590635a，该电容检测装置，能以比调整用电容元件的最小值更高精度来调整偏移。《电容检测方法》专利号：cn102375628a，该发明的电容检测方法，采用电容充放电的方法可达到噪声抑制效果和提升工艺上电容和阻抗的变化容忍度的目的。《电容检测电路》专利号：cn103487662a，该发明的电容检测方法采用电容积分电路，在检测过程中在不降低检测电压条件下，也不会引起信噪比的下降。
以上的测量仪器和专利解决办法都存在一些问题。第一，测量的速度较慢，不能满足生产企业的要求。第二，测量范围较宽，仪器的性价比低。第三，测量的数据不能与用户共享，企业和用户之间的测量标准容易产生误差引起争议。第四，大多数仪器和测量方法都采用平衡电桥的方法，对信号源要求较高，而且对环境参数要求也很高。当温度、湿度变化较大时，测量精度会下降一个数量级。
技术实现要素：
本发明提出了一种小容量电容高速检测电路，采用变压器平衡电桥原理对小电容进行测量。通过与标准电容的比较在变压器初级绕组产生一个激励电流，激励电流的大小与测量电容与标准电容之间的误差成正比。pc机作为上位机，与单片机实现数据的双向传输，对小电容测量的过程进行控制，对测量的数据进行误差补偿、分析和管理，通过因特网与用户共享测量数据。
本发明通过以下技术方案实现：
一种小容量电容高速检测电路，包括单片机，与单片机双向连接实现数据双向传输的pc机；pc机对小电容测量的过程进行控制，对测量的数据进行误差补偿、分析和管理，通过因特网与用户共享测量数据。
单片机通过电子开关k1和k2相应连接激励电源ui1和激励电源ui2,对激励电源ui1和激励电源ui2进行选择；当被测电容cx<20pf时，接通激励电源ui1；当被测电容cx≥20pf时，接通激励电源ui2。
激励电源ui1、ui2输出信号ui与被测电容cx、标准电容cn连接，在被测电容cx和标准电容cn上产生一个激励电流，加到变压器电桥检测电路，在变压器电桥检测电路的输出端产生一个输出电压uo1，当cx=cn，uo1=0；当cx≠cn，uo1=k△c，k为比例系数，受电路的分布电容和接触电阻影响，当电路确定时，k为常数；使用前可以通过对标准电容的测量自动获得k值。
uo1接到放大电路中，通过放大电路输出信号uo；放大电路连接放大倍数调节电路，放大倍数调节电路与单片机连接。通过单片机控制放大倍数调节电路自动调节放大倍数，保证信号uo不失真的情况下，使信号uo达到较大数值，保证小电容的测量精确度能够达到0.01%；提高测量精确度。
所述的信号uo和信号ui通过相位检测电路的输出信号yc与单片机连接，相位检测电路对信号ui和信号uo进行相位检测，判断被测电容cx与标准电容cn的大小关系；当yc=0时，则ui和uo两个电压反相，cx>cn；当yc=1时，则ui和uo两个电压同相，cx<cn。
所述的输出电压uo和基准电压uref通过电压比较电路的输出信号ya与单片机连接，电压比较电路对输出电压uo和基准电压uref进行电压比较，当输出电压uo<uref，ya=0输入单片机，单片机输出控制信号到放大倍数调节电路，调节放大倍数调节电路的放大倍数；当输出电压uo>uref，ya=1输入到单片机，则输出信号uo满足设计要求。
所述的输出信号uo为模拟信号，通过vpc转换电路与单片机连接，将模拟信号uo转换为数字信号yb；单片机把测量数据传输给pc机，由pc机计算被测电容器cx的电容值和误差分档信号。数字信号yb的脉冲宽度与模拟信号uo的大小成正比。通过单片机记录脉冲信号的宽度，从而可以计算出输出电压uo的大小，同时根据uo的大小计算出被测电容cx的电容值。
所述的电容误差分档指示信号电路与单片机输出信号连接，电容误差分档指示信号电路分八档指示，用八个led发光二极管显示。
所述的电容值数据显示电路与单片机输出信号连接，所述的电容值数据显示电路采用led显示屏，显示被测电容cx的电容值。
进一步的，所述的激励电源ui1为1mhz的12v正弦交流电源,激励电源ui2为500khz的12v正弦交流电源。
进一步的，所述的激励电源大于等于10个信号周期时，电容检测电路进入稳定状态，能有效测出被测电容器cx的电容值。
（三）有益效果
本发明提出的一种小容量电容高速检测电路，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
（1）采用变压器平衡电桥检测电路，采用变压器平衡电桥原理对小电容进行测量。通过被测电容与标准电容的比较在三绕组变压器的两个次级绕组中产生一个激励电流，激励电流的大小与测量电容cx和标准电容cn之间的误差δc成正比；消除了环境参数和分布参数的影响。测量的稳定性更好、精度更高。
（2）放大电路的放大倍数通过单片机控制实现自动调节，保证输出电压不失真的情况下达到较大数值以提高测量精度。
（3）采用pc机作为上位机，通过pc机对小电容测量的过程进行控制，对测量的数据进行误差补偿、分析和管理，通过因特网与用户共享测量数据。
（4）缩小了测量范围，其实际测量范围是0.1pf-200pf；让测量精度更加的精确，也加快了测量速度；测量精度0.01%、测量速度为100粒/秒。
附图说明
图1是本发明的检测电路原理框图。
图2是本发明的电路原理图。
图3是本发明的工作流程图。
附图中的标记及零部件标注：1-单片机电路、2-激励电源、3-变压器电桥检测电路、4-两级放大电路、5-放大倍数调节电路，6-电压比较电路、7-vpc转换电路、8-相位比较电路、9-电容误差分档指示信号电路、10-电容值数据显示电路、11-单片机时钟电路、12-单片机开机复位电路、13-单片机与pc机rs232接口电路组成。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。
实施例：
如图1所示：一种小容量电容高速检测电路，包括单片机，与单片机双向连接实现数据双向传输的pc机；pc机对小电容测量的过程进行控制，对测量的数据进行误差补偿、分析和管理，通过因特网与用户共享测量数据。
单片机通过电子开关k1和k2相应连接激励电源ui1和激励电源ui2,对激励电源ui1和激励电源ui2进行选择；当被测电容cx<20pf时，接通激励电源ui1；当被测电容cx≥20pf时，接通激励电源ui2。
所述的激励电源ui1为1mhz的12v正弦交流电源,激励电源ui2为500khz的12v正弦交流电源。当激励电源大于等于10个信号周期时，电容检测电路进入稳定状态，能有效测出被测电容器cx的电容值。
激励电源输出信号ui与被测电容cx、标准电容cn连接，在被测电容cx和标准电容cn上产生一个激励电流，加到变压器电桥检测电路，在变压器电桥检测电路的输出端产生一个输出电压uo1，当cx=cn，uo1=0；当cx≠cn，uo1=k△c，k为比例系数，受电路的分布电容和接触电阻影响，当电路确定时，k为常数；使用前可以通过对标准电容的测量自动获得k值。
uo1接到放大电路中，通过放大电路输出信号uo；放大电路连接放大倍数调节电路，放大倍数调节电路与单片机连接。通过单片机控制放大倍数调节电路自动调节放大倍数，保证uo不失真的情况下，使uo达到较大数值，保证小电容的测量精确度能够达到0.01%；提高测量精确度。
所述的信号uo和信号ui通过相位检测电路的输出信号yc与单片机连接，相位检测电路对信号ui和信号uo进行相位检测，判断被测电容cx与标准电容cn的大小关系；当yc=0时，则ui和uo两个电压反相，cx>cn；当yc=1时，则ui和uo两个电压同相，cx<cn。
所述的输出电压uo和基准电压uref通过电压比较电路的输出信号ya与单片机连接，电压比较电路对输出电压uo和基准电压uref进行电压比较，当输出电压uo<uref，ya=0输入单片机，单片机输出控制信号到放大倍数调节电路，调节放大倍数调节电路的放大倍数；当输出电压uo>uref，ya=1输入到单片机，则输出信号uo满足设计要求。
所述的信号uo为模拟信号，通过vpc转换电路与单片机连接，将模拟信号uo转换为数字信号yb；单片机把测量数据传输给pc机，由pc机计算被测电容器cx的电容值和误差分档信号。数字信号yb的脉冲宽度与模拟信号uo的大小成正比。通过单片机记录脉冲信号的宽度，从而可以计算出输出电压uo的大小，同时根据uo的大小计算出被测电容cx的电容值。
所述的电容误差分档指示信号电路与单片机输出信号连接，电容误差分档指示信号电路分八档指示，用八个led发光二极管显示。
所述的电容值数据显示电路与单片机输出信号连接，所述的电容值数据显示电路采用led显示屏，显示被测电容cx的电容值。
如图2所示，一种小容量电容高速检测电路包括单片机电路，单片机电路中还包括单片机时钟电路和单片机开机复位电路，激励电源，变压器电桥检测电路，两级放大电路，放大倍数调节电路，电压检测整流滤波电路，放大输出整流滤波电路，电压检测比较电路，vpc转换电路，相位比较电路，电容误差分档指示信号电路，电容值数据显示电路，单片机与pc机rs232接口电路组成。
u1为单片机，采用at89c52。u1的p0端口第32～39引脚分别与上拉电阻rp1的第9～2引脚连接，rp1的第1引脚与+5v连接。
单片机时钟电路由电容c7、电容c8和晶体振荡器x1组成，其中c7一端接地，c7另一端接在u1的第19引脚；c8一端接地，c8另一端接在u1的第18引脚；x1并联在u1的第18、19引脚上。晶体振荡器x1的频率选择为11.0592mhz。
单片机开机复位电路由电阻r23和电容c9组成，实现单片机的开机复位功能。其中c9正极接+5v，负极与r23连接，r23的另一端接地。r23和c9的连接点与u1的第9引脚连接。
激励电源由交流信号源ui1（1mhz的12v交流电源）、交流信号源ui2（500khz的12v交流电源）、电子开关u2：a和u2：b组成。ui1一端接地，ui1另一端接u2：a的第1引脚，u2：a的第13引脚接u1的p1.0端口。ui2一端接地，ui2另一端接u2：b的第11引脚，u2：b的12脚接u1的p1.1端口。ui1的第2引脚和ui2的第10引脚连接，作为输出，输出信号为ui。当p1.0=1时，ui=ui1；当p1.1=1时，ui=ui2。通过单片机u1控制，禁止p1.0和p1.1同时为1，防止ui1和ui2短路。
变压器电桥检测电路由电阻r1、r2、被测电容cx、标准电容cn和三绕组变压器tr1组成，变压器的变比为1：1：1。其中变压器电桥中串联的r1和r2，功能是消除测量电路中的接触电阻、导线电阻等产生的电阻以提高测量精度。r1一端与u2：a的第2引脚连接，r1的另一端和cn连接，r2一端与u2：a的第2引脚连接，r2的另一端和cx连接。cn一端接r1，cn另一端tr1的第5引脚。cx一端接r2，cx另一端tr1的1引脚。tr1的第1引脚和第5引脚为异名端。当cx=cn时，变压器电桥平衡，uo1为0。当cx≠cn时，uo1=k△c，k为比例系数，受电路的分布电容和接触电阻影响。当电路确定时，k为常数。使用前可以通过对标准电容的测量自动获得k的值。tr1的第2、4和8引脚接地。tr1的第7和第1引脚为同名端，tr1的第7引脚输出电压uo1通过r26加到第一级电压放大电路的同相端。
放大电路由两级放大电路和放大倍数调节电路组成。第一级放大电路为同相比例运算放大电路，输入电阻大，减少了对平衡电桥激励信号的影响。第一级放大电路由运算放大器u8、电阻r26、r27和r28构成。u8采用ad711ap，u8第3引脚接r26，r26的另一端接tr1的第7引脚，输入信号为uo1，u8第7引脚接+5v，u8第4引脚接-5v，采用双电源供电，u8第2引脚接r27，r27的另一端接地；反馈电阻r28连接在u8第2、6引脚之间，u8第6引脚为输出端，输出电压为uo2，通过r3加到第二级放大电路。第二级放大电路由运算放大器u3和电阻r3、r4、r5、r6、r7、r8构成，u3采用ad711ap，u3第3引脚接r3，r3的另一端接u8第6引脚，输入信号为uo2，u3第7引脚接+5v，u3第4引脚接-5v，采用双电源供电，u3第2引脚接r4，r4的另一端接地；反馈电阻r5、r6、r7、r8一端共同接接在u3第6引脚，u3第6引脚为输出端，输出电压为uo，r5、r6、r7、r8另一端分别接电子开关u2：c、u2：d、u2：a、u2：b的第4、8、1、11引脚，通过电子开关连接到u3的第2引脚；电子开关u2：c、u2：d、u2：a、u2：b的第5、6、13、12引脚分别接单片机u1的p1.2、p1.3、p1.4、p1.5端口；电子开关u2：c、u2：d、u2：a、u2：b的第3、9、2、10引脚接在一起，共同接到u3第6引脚。单片机通过p1.2、p1.3、p1.4、p1.5发出指令控制电子开关u2：c、u2：d、u2：a、u2：b，从而实现对第二级电压放电路放大倍数的自动调节，放大倍数自动调节的依据就是输出电压要大于基准电压uref。
电压比较电路作为放大倍数调节电路的依据，由电压检测整流滤波电路、电压检测比较电路、反相器组成。电压检测整流滤波电路由二极管d1、电容c1、c2和电阻r11组成，c1为滤波储能电容，c1作用就是使d1整流输出的电压udc1平滑；c2为高频滤波电容，c2的作用就是减小高频信号对电路工作稳定性的影响；电阻r11为释放电阻，r11的功能就是在一次电压比较结束后，快速释放在c1上储存电量，保证下一次电压比较的准确度，释放时间。二极管d1采用1n4148、对u3的输出信号uo进行整流，d1正极接u3的第6引脚，负极接电容c1一端，c1一端接d1的负极、c1另一端接地，c2一端接d1的负极、c2另一端接地，r11一端接d1的负极、r11另一端接地，τ1=5×r11×c1=5×0.047×106×1×103≈0.25×10-3s=0.25ms。电压检测比较电路由电压比较器u9：a、电阻r9、r10、r25组成。u9：a采用tlc393，u9：a第8引脚接+5v；第4引脚接地；第3引脚d1的负极，作为u9：a输入端，输入信号为udc1。r10的一端接+5v，r10另一端接r9，r9另一端接地，r9、r10连接点接在u9：a的第2引脚。r9和r10串联分压给u9：a提供一个基准电压uref（uref=5×r9/（r10+r9）=0.5v），u9：a第1引脚接u10：a的第1引脚，为电压比较结果的输出端，输出信号为ya1。r25是上拉电阻，并联接在u9：a的第1、8引脚上。当udc1≤0.5v时，ya1=0，当udc1＞0.5v时，ya1=1。反相器u10：a的第1引脚接u9：a的输出端第1引脚，u10：a的第1引脚接单片机u1的p3.2端口，反相器u10：a的第2引脚为输出，输出信号为ya2。u10：a的第2引脚接到单片机u1的p3.2端口。根据ya2的信号，单片机分析是否要进行电压放大倍数调节。当ya2=1，继续对放大倍数进行调节，直到ya2=0，停止对放大倍数调节。采用反相器u10：a与u1相连接，保证了输出信号ya2的电平满足单片机对输入信号电平的要求，提高电路稳定性。
vpc转换电路由放大输出整流滤波电路、电压/脉宽转换电路组成。放大输出整流滤波电路由二极d3、电容c3、c4、电阻r24和电感l1组成。c3、c4和l1组成一个л型滤波电路，降低udc2的纹波系数（纹波电压小于5mv）使信号更平稳，从而提高测量的精度。r24是释放电阻，r24的功能就是在一次电容测量结束后，快速释放在c3、l1、c4上的储存电量，保证下一次电容测量的精度。二极管d3采用1n4148、对u3的输出信号uo进行整流，d3正极接u3的第6引脚，负极接电容c3，c3一端接d3负极、c3另一端接地，l1一端接d3负极，l1另一端接r24；r24一端接l1，r24另一端接地。u3的输出信号uo经过放大输出整流滤波电路后输出为直流电压udc2。
电压/脉宽转换电路由反相器u6：b、电阻r30、r29、r12、r31、电容c5、二极管d2、比较器u5：a组成。采用反相器u6：b目的是增加输出电流，提高带负载能力，反相器u6：b第3引脚接单片机u1的p1.6端口，反相器u6：b第4引脚接d2的负极。反相器u6：b作用是将单片机p1.6端口发出的指令反相，输出一个电容c5充放电控制信号yb1。当yb1=1时，二极管d2截止，通过r30对电容c5充电；当yb1=0时，二极管d2导通，c5通过r30、r29、d2放电。r29、c5、r30、d2构成电容器c5充放电电路，d2可以加速c5放电，缩短放电时间，确保每次放电结束c5两端的电压为0；r30缓冲充放电冲击，减小电路的谐波辐射和干扰。r30一端接u6：b的第4引脚，r30另一端接c5，c5的另一端接地；d2负极接u6：b的第4引脚，正极接r29，r29的另一端接地。r30和c5的连接点与d2和r29的连接点并联后接在u5：a的第3引脚；u5：a的第3引脚两端电压就是电容c5两端电压uc5，u5：a的第2引脚接r12，r12另一端接r24的一端；u5：a的第2引脚两端电压就是udc2，u5：a的第8引脚接+5v；第4引脚接地；r31是上拉电阻，并联接在u5：a的第1、8引脚上。u5：a第1引脚接反相器u6：a的第1引脚；反相器u6：a的第2引脚接在单片机u1的p1.7端口，当p1.6=1，c5通过r29、r30和d2放电；当放电结束时，uc5=0，且uc5＜udc2，yb2=0、yb3=1；当p1.6=0，c5通过r30充电，p1.7=1，单片机u1开定时器，开始计时，随着uc5逐渐升高、当uc5大于udc2时，yb2=1，yb3=0，单片机u1关定时器，停止计时，p1.7=0，停止对c5充电。udc2越大、电容c5充电时间就越长，c5充电时间为tw=r30×c5×ln((5-ucd2)/5),最大充电时间twmax=r30×c5=10×103×0.1×10-6=1×10-3s=1ms。
相位比较电路由激励电源ui相位检测电路、第二级放大电路输出信号uo相位检测电路、相位比较电路和整形电路组成。激励电源ui相位检测电路由电压比较器u5：b、电阻r33、r32、r34组成。u5：b的第8引脚接+5v；第4、6引脚接地；r33一端接u2:a的第2引脚，另一端与r32连接，r32的另一端接地，将r33和r32的连接点接在u5：b的第5引脚；r34是上拉电阻并联接在u5：b的第7、8引脚。u5：b的第7引脚为输出端，输出信号为yc1，电阻r33和r32串联分压电路将ui降低后与零比较，当ui>0，yc1=1，当ui<0，yc1=0。第二级放大电路输出信号uo相位检测电路由电压比较器u11：a、电阻r38、r39组成。u11：a的第8引脚接+5v；第2、4引脚接地；r38一端接u3的第6引脚，r38另一端接u11：a的第3引脚；r39是上拉电阻并联接在u11：a的第1、8引脚。u11：a的第1引脚为输出端，输出信号为yc2，当uo>0，yc2=1；当uo<0，yc2=0。相位比较电路由异或门u12：a组成。u12：a的第1引脚接u11：a的第1引脚；u12：a的第2引脚接u5：b的第7引脚，u12：a的第3引脚为输出端，输出信号为yc3，当yc1≠yc2，yc3=1；yc1=yc2，yc3=0。整形电路由电阻r35、电容c6和施密特触发器u13：a组成。r35、c6构成滤波电路，消除因ui和uo相位移造成的尖峰波干扰。r35的一端接u12：a的第3引脚，另一端接u13：a的第1引脚；u13：a的第3引脚接单片机u1的p3.3端口。当yc1和yc2反相时，p3.3=0，说明cx>cn；当yc1和yc2同相时p3.3=1，说明cx<cn。
电容误差分档指示信号电路由译码器u7、电阻r15～r22和发光二极管d7～d14组成。电容误差分档指示信号电路实现误差分档指示，档位由生产企业或者用户根据自己的标准在pc机上设置。u7的第6引脚接+5v；u7的第4、5引脚接地；u7的第1、2和3引脚分别接在单片机u1的第15、16、和17引脚，作为电容误差档位指示数据的输入端；u7的第15、14、13、12、11、10、9、7引脚分别接d7～d14的阴极；d7～d14的阳极分别接r15～r22的一端；r15～r22的另一端接+5v。
电容值数据显示电路由液晶屏显示器lcd1和可变电阻rv1组成，实现被测电容器cx电容值的显示。rv1的功能是调节显示器lcd1的亮度。rv1的一端接+5v，rv1的另一端接地，rv1的活动端接lcd1的第1引脚。lcd1的第2引脚接+5v；第3引脚接地；第4、5、6引脚分别接在单片机u1的p0.0、p0.1和p0.2端口；lcd1第7、8、9、10、11、12、13、14引脚接单片机u1的p2端口，作为测量电容器电容值显示数据的输入端口。
单片机u1与pc机的连接采用rs232标准接口。单片机与pc机rs232接口电路由u14、p1和电容c10、c11、c12、c13组成，u14采用max232芯片，p1采用9针串口插座。c10并联在u14的第1、3引脚；c11并联在u14的第4、5引脚，c12一端接u14的第2引脚，另一端接+5v；c13一端接u14的第6引脚，另一端接地；u14的第9引脚接在u1的p3.0端口；u14的第10引脚接u1的p3.1端口；u14的第7引脚接p1的第2引脚；u14的第8引脚接p1的第3引脚。pc机通过p1实现与单片机u1的双向数据传输。
如图3所示，“开始”为测量前的准备，时间为50μs±10μs。“激励电源选择”当被测电容cx<20pf时，接通激励电源ui1；当被测电容cx≥20pf时，接通激励电源ui2，时间为10μs±10μs。“延时1”通过延时使电路稳定，对被测电容cx和标准电容cn有效激励，输出电压uo保持不变，时间为2000μs±10μs。“电压放大倍数自动调节”使输出电压uo保持一个合适的值，有利于uo模拟信号数字化，以提高测量精度，时间为2000μs±10μs。“延时2”为电容测量做准备，时间为10μs±10μs。“相位检测”判断被测电容cx与标准电容cn的大小关系。当ui和uo两个电压反相，说明cx>cn；当ui和uo两个电压同相，说明cx<cn，时间为10μs±10μs。“电压检测”将电压信号转换成脉宽信号，读取脉宽宽度来计算输出电压uo的大小，时间为2000μs±10μs。“数据传输与处理”将测量的数据（相位、放大倍数、脉宽）输出给pc机，pc机根据输出电压uo1=kδc，计算出电容器的电容值和电容的误差档位，pc机将计算的结果（被测电容器cx的电容值和误差等级）传输给单片机，单片机再将信号输出，使得检测电容误差对应的指示灯亮，并在显示屏显示被测电容cx的电容数值，时间为100μs±10μs。“结束”延时为下次测量做准备，100μs±10μs。整个周期的时间为t=50+10+2000+2000+10+10+2000+100+100=7000μs。理论测量速度可达7毫秒/粒，实际测量速度为100粒/秒，电容分辨率达到0.01%。