电容测量仪
张蕾 10级电信2班 [1**********]
摘要：本方案采用MSP430单片机作为主控。利用DDS 芯片AD9851、运放电路、矩阵键盘，设计了一个输出幅度2V （Vpp ）、频率1kHz ～200kHz 、可步进显示的正弦信号作为标准输入信号，设定固定频率输入到被测未知网络，经过I-V 转换电路后，通过有效值转换芯片AD637和24位高精度A/D转换芯片测量输出电压值，换算阻抗。本方案实现了能够精确测量未知电容大小，并显示的功能。 关键字：阻抗测量；AD7799；AD637；MSP430
一、方案论证与比较
1.1 信号源选择部分方案论证
阻抗参数测量在传感器、仪器仪表以及印刷电路分布参数分析等技术领域中占据非常重要的地位，目前阻抗测量技术已经从电桥法、谐振法等传统方法发展到矢量伏安法等现代数字测量技术。然而现有的数字化阻抗测量方法都要求激励信号是低失真度的正弦信号，而频率高的低失真度正弦信号很难获得，这限制了测量精度的提高和测量范围的扩大。可见，获得低失真度、高精度、稳定的标准信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。
方案一：利用模拟分立元件（如RC 、LC 网络）产生振荡信号
利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。但是如果要实现题目中要求的1KHz 至200KHz 那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。
方案二：直接数字合成法(DDS)
DDS 或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理, 从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波, 而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS 方法产生任意波形(AWG)。 AD9851是比较常用的功能强大的DDS 芯片，它提供了并行和串行控制字输入，以改变其输出频率，易于控制，内部包含可编程DDS 系统、集成高速的10bitDAC 及高速比较器，能够产生频率很高的正弦信号(0~70MHz)，由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小。而且，采用该DDS 芯片外围电路相对简单，便于操作。
综上所述，从多个方面考虑采用了方案二作为信号源产生部分。
1.2 信号源调理部分方案论证
信号源调理主要可分为以下两个方面：一是对噪声干扰的有效控制；二是对输出信号幅度进行调理。 1.2.1 有源低通滤波
AD9851的内部没有有效的低通滤波器，因此经过DAC 输出的扫描信号不可避免的含有高频噪声，该噪声可以分为两类：一类为DAC 数模转换带来的阶梯波形分量及其高次谐波，另一类为AD9851内部系统时钟及其高次谐波。故信号输出端口需要加低通滤波抑制高频干扰。
有源滤波能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，控制精度高、治理效果好，是比较理想的滤波方式。有源滤波器是指由放大电路及RC 网络构成的滤波器电路，它实际是一种具有特定频响的放大器，滤波器的阶数越高，频响特性衰减的速率越快，但RC 网络阶数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难，综合考虑，选用二阶有源低通滤波器。 1.2.2放大电路
由于从DDS 输出的波形幅度只有1V ，为了更好地方便计算，在此对DDS 输出的电压幅度进行放大。
方案一：用晶体管组成放大电路
用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。 方案二：用运算放大器构成放大电路
一个较好的解决方案是利用性能优良的集成的运算放大器构成差分放大电路。Ti 公司的OPA2227PA 是低噪声、高精度、高速的集成运放，带宽较宽，用它构成基本运算放大电路可以比较理想地实现对信号源进行幅度放大。 综上所述，采用方案二作为本系统的放大部分。
1.3 I/V变换电路模块方案论证
本方案采用的方法是让标准正弦信号经过未知一端口网络，由于本方案以测量Humirel 公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH ，在55%RH时的电容量为180pF （典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF ～202pF ，湿敏电容值较小，所以将此端口网络设置为湿敏电容和1nf 精密电容的并联。由外围电路测出未知网络的阻抗模，从而计算被测湿敏电容的大小，所以要将经由未知网络的电流转换为电压从而实现未知网络的阻抗的测量过程。
方案一：利用分压电路
将电流通入电阻，在电阻上采样出电压信号，其中，可以使用电位器调节输出电压的大小。这种方法最简单，但需要考虑功率和放大倍数的选择问题，不采用。
方案二：运放直接搭接的方法(跨阻放大器)
充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号, 电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为
Uo=-R ⋅i
这种方法避免了运放输入失调电压，输入偏置电流和失调电流带来的积分误差，也避免了电容的漏电流带来的误差，在此，选用Ti 公司的精度高、性能优良的OPA2227PA 作为跨阻放大器, 实现I/V变换。
1.4阻抗模测量模块方案论证
方案一：直接信号采样法
通过高速A/D转换器对被测交流信号直接采样，再通过数据处理得到信号的电平值，但这种方法对A/D转换器的采样速率和系统数据处理的速度要求较高，在实际设计中，为了保证足够的精度，采样间隙应尽量短，对器件的速度要求较苛刻。
方案二：峰值检波法
采用真有效值/直流转换器将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，然后通过A/D转换器对该电压进行采样，即可得到被测交流信号的电平值。对于正弦波，其峰值与有效值之间存在2 倍的关系，因此，只要测得了信号的有效值，信号的峰峰值也就相应得到了。AD 公司生产的AD637是专门的有效值检测集成芯片，因此采用AD637电路就能实现信号的有效值检测该方法降低了对A/D转换器采样速率的要求，并且降低了单片机对采样数据处理的难度，电路的性能优良、实现简单。此外，它还适用于任意波形信号的电平测量。 经比较，选用方案二作为阻抗模测量电路的实现方法。
二、分析计算
在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z 表示，是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗, 电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗公式为
Z=R+jX
其中，
称为阻抗模。
在本方案中，将输入信号的有效值用Ui 表示，经过被测网络后的输出信号有效值用Uo 表示，如图2。
图2 阻抗模分析
其中，被测网络中的电容分别是待测湿敏电容C1和精密电容C2=1nf,精密电
阻R=100Ω。由图知，Uo=Ui ⨯R , 则|Z|=Ui ⨯R ，且
Ui=Vp -p , 其中Vp-p
Z
2
为题目要求的2V 。只要通过峰值检波部分测得Uo 便可计算出阻抗模|Z|。 电容的阻抗|Z|=值。
1
ωC
=
12πf (C 1+C 2)
, 则当给定输入频率时，便可求出C1的
三、系统设计
3.1总体设计框图
整个系统的框图如图3.1所示，系统主要由DDS 正弦信号产生模块，滤波放大模块，I/V转换模块，峰值检测模块组成。
图3.1 系统框图
3.2单元电路设计
3.2.1 DDS产生信号源电路设计
本系统采用以AD9851为核心的DDS 模块作为信号源产生模块，通过系统的主控制器MSP430，采用并行模式，程控产生题目所需的正弦波。AD9851主要包括相位寄存器、相位全加器、D/ A 转换器, 相位寄存器和相位全加器构成相位累加器。AD9851 内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字, 相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度, 经过内部D/ A 转换器后, 所得到的就是最终的数字合成信号。DDS 模块电路图如图3.2.1所示。
U2
DAC OUT TO 50
图3.2.1 DDS模块电路
3.2.2 信号源滤波及放大电路设计 由于DDS 产生模块有两个输出端口，两个输出端口均输出峰峰值为1V 的正弦波，但二者相位正好相反，且两者均含有一定的值相等的直流分量。采用差分放大电路，便可将直流分量消去，电路简单且易操作，电路如图3.2.2所示。
图3.2.2 放大电路
3.2.3 I/V转化电路设计
由于方案中的被测模块只有一端输出，输出的只能是电流，但之后的峰值检测需要的是电压，所以需要使用I/V转化电路，将电流转换为电压。本方案使用简单的I/V转化电路，便可实现系统要求，电路图如图3.2.3所示。
图3.2.3 I/V转化电路
3.2.4峰值检波模块电路设计
峰值检波电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Uo 。峰值检测电路在很多电路中有着很重要的作用。本方案中，我们使用集成芯片AD637作为峰值检波模块的核心。AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz 的输入信号，满足题目中的要求。通过集成芯片的应用，大大地减少了外围电路，并且测量出的数据更加精确，电路图如图3.2.4。
图3.2.4 峰值检波电路
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电容测量仪
张蕾 10级电信2班 [1**********]
摘要：本方案采用MSP430单片机作为主控。利用DDS 芯片AD9851、运放电路、矩阵键盘，设计了一个输出幅度2V （Vpp ）、频率1kHz ～200kHz 、可步进显示的正弦信号作为标准输入信号，设定固定频率输入到被测未知网络，经过I-V 转换电路后，通过有效值转换芯片AD637和24位高精度A/D转换芯片测量输出电压值，换算阻抗。本方案实现了能够精确测量未知电容大小，并显示的功能。 关键字：阻抗测量；AD7799；AD637；MSP430
一、方案论证与比较
1.1 信号源选择部分方案论证
阻抗参数测量在传感器、仪器仪表以及印刷电路分布参数分析等技术领域中占据非常重要的地位，目前阻抗测量技术已经从电桥法、谐振法等传统方法发展到矢量伏安法等现代数字测量技术。然而现有的数字化阻抗测量方法都要求激励信号是低失真度的正弦信号，而频率高的低失真度正弦信号很难获得，这限制了测量精度的提高和测量范围的扩大。可见，获得低失真度、高精度、稳定的标准信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。
方案一：利用模拟分立元件（如RC 、LC 网络）产生振荡信号
利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。但是如果要实现题目中要求的1KHz 至200KHz 那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。
方案二：直接数字合成法(DDS)
DDS 或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理, 从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波, 而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS 方法产生任意波形(AWG)。 AD9851是比较常用的功能强大的DDS 芯片，它提供了并行和串行控制字输入，以改变其输出频率，易于控制，内部包含可编程DDS 系统、集成高速的10bitDAC 及高速比较器，能够产生频率很高的正弦信号(0~70MHz)，由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小。而且，采用该DDS 芯片外围电路相对简单，便于操作。
综上所述，从多个方面考虑采用了方案二作为信号源产生部分。
1.2 信号源调理部分方案论证
信号源调理主要可分为以下两个方面：一是对噪声干扰的有效控制；二是对输出信号幅度进行调理。 1.2.1 有源低通滤波
AD9851的内部没有有效的低通滤波器，因此经过DAC 输出的扫描信号不可避免的含有高频噪声，该噪声可以分为两类：一类为DAC 数模转换带来的阶梯波形分量及其高次谐波，另一类为AD9851内部系统时钟及其高次谐波。故信号输出端口需要加低通滤波抑制高频干扰。
有源滤波能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，控制精度高、治理效果好，是比较理想的滤波方式。有源滤波器是指由放大电路及RC 网络构成的滤波器电路，它实际是一种具有特定频响的放大器，滤波器的阶数越高，频响特性衰减的速率越快，但RC 网络阶数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难，综合考虑，选用二阶有源低通滤波器。 1.2.2放大电路
由于从DDS 输出的波形幅度只有1V ，为了更好地方便计算，在此对DDS 输出的电压幅度进行放大。
方案一：用晶体管组成放大电路
用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。 方案二：用运算放大器构成放大电路
一个较好的解决方案是利用性能优良的集成的运算放大器构成差分放大电路。Ti 公司的OPA2227PA 是低噪声、高精度、高速的集成运放，带宽较宽，用它构成基本运算放大电路可以比较理想地实现对信号源进行幅度放大。 综上所述，采用方案二作为本系统的放大部分。
1.3 I/V变换电路模块方案论证
本方案采用的方法是让标准正弦信号经过未知一端口网络，由于本方案以测量Humirel 公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH ，在55%RH时的电容量为180pF （典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF ～202pF ，湿敏电容值较小，所以将此端口网络设置为湿敏电容和1nf 精密电容的并联。由外围电路测出未知网络的阻抗模，从而计算被测湿敏电容的大小，所以要将经由未知网络的电流转换为电压从而实现未知网络的阻抗的测量过程。
方案一：利用分压电路
将电流通入电阻，在电阻上采样出电压信号，其中，可以使用电位器调节输出电压的大小。这种方法最简单，但需要考虑功率和放大倍数的选择问题，不采用。
方案二：运放直接搭接的方法(跨阻放大器)
充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号, 电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为
Uo=-R ⋅i
这种方法避免了运放输入失调电压，输入偏置电流和失调电流带来的积分误差，也避免了电容的漏电流带来的误差，在此，选用Ti 公司的精度高、性能优良的OPA2227PA 作为跨阻放大器, 实现I/V变换。
1.4阻抗模测量模块方案论证
方案一：直接信号采样法
通过高速A/D转换器对被测交流信号直接采样，再通过数据处理得到信号的电平值，但这种方法对A/D转换器的采样速率和系统数据处理的速度要求较高，在实际设计中，为了保证足够的精度，采样间隙应尽量短，对器件的速度要求较苛刻。
方案二：峰值检波法
采用真有效值/直流转换器将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，然后通过A/D转换器对该电压进行采样，即可得到被测交流信号的电平值。对于正弦波，其峰值与有效值之间存在2 倍的关系，因此，只要测得了信号的有效值，信号的峰峰值也就相应得到了。AD 公司生产的AD637是专门的有效值检测集成芯片，因此采用AD637电路就能实现信号的有效值检测该方法降低了对A/D转换器采样速率的要求，并且降低了单片机对采样数据处理的难度，电路的性能优良、实现简单。此外，它还适用于任意波形信号的电平测量。 经比较，选用方案二作为阻抗模测量电路的实现方法。
二、分析计算
在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z 表示，是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗, 电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗公式为
Z=R+jX
其中，
称为阻抗模。
在本方案中，将输入信号的有效值用Ui 表示，经过被测网络后的输出信号有效值用Uo 表示，如图2。
图2 阻抗模分析
其中，被测网络中的电容分别是待测湿敏电容C1和精密电容C2=1nf,精密电
阻R=100Ω。由图知，Uo=Ui ⨯R , 则|Z|=Ui ⨯R ，且
Ui=Vp -p , 其中Vp-p
Z
2
为题目要求的2V 。只要通过峰值检波部分测得Uo 便可计算出阻抗模|Z|。 电容的阻抗|Z|=值。
1
ωC
=
12πf (C 1+C 2)
, 则当给定输入频率时，便可求出C1的
三、系统设计
3.1总体设计框图
整个系统的框图如图3.1所示，系统主要由DDS 正弦信号产生模块，滤波放大模块，I/V转换模块，峰值检测模块组成。
图3.1 系统框图
3.2单元电路设计
3.2.1 DDS产生信号源电路设计
本系统采用以AD9851为核心的DDS 模块作为信号源产生模块，通过系统的主控制器MSP430，采用并行模式，程控产生题目所需的正弦波。AD9851主要包括相位寄存器、相位全加器、D/ A 转换器, 相位寄存器和相位全加器构成相位累加器。AD9851 内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字, 相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度, 经过内部D/ A 转换器后, 所得到的就是最终的数字合成信号。DDS 模块电路图如图3.2.1所示。
U2
DAC OUT TO 50
图3.2.1 DDS模块电路
3.2.2 信号源滤波及放大电路设计 由于DDS 产生模块有两个输出端口，两个输出端口均输出峰峰值为1V 的正弦波，但二者相位正好相反，且两者均含有一定的值相等的直流分量。采用差分放大电路，便可将直流分量消去，电路简单且易操作，电路如图3.2.2所示。
图3.2.2 放大电路
3.2.3 I/V转化电路设计
由于方案中的被测模块只有一端输出，输出的只能是电流，但之后的峰值检测需要的是电压，所以需要使用I/V转化电路，将电流转换为电压。本方案使用简单的I/V转化电路，便可实现系统要求，电路图如图3.2.3所示。
图3.2.3 I/V转化电路
3.2.4峰值检波模块电路设计
峰值检波电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Uo 。峰值检测电路在很多电路中有着很重要的作用。本方案中，我们使用集成芯片AD637作为峰值检波模块的核心。AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz 的输入信号，满足题目中的要求。通过集成芯片的应用，大大地减少了外围电路，并且测量出的数据更加精确，电路图如图3.2.4。
图3.2.4 峰值检波电路
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