一种新型电容测量仪

　　一、概　述

　　电容的测量常见的有容抗法、脉宽调制检测法等,这些方法大部分的电路组成均是由分离元器件实现的,因此结构复杂,故障率高。本文介绍一种电容测量方法,它以集成A/D转换器为核心,加上少量外围元件即可构成一个线路简单,可靠性好、准确度适宜的电容测量仪。

　　二、测量原理分析

　　本测量方法的A/D采用大规模集成电路ICL7135。该芯片内部包括模拟电路与数字电路两大部分。这里通过对ICL7135模拟电路测量过程的介绍来分析电容测量原理。ICL7135测量过程的每个A/D转换周期分四个阶段:自动调零(AZ)、正向积分(INT)、反向积分(DE)、零积分(ZI)。以下结合电容测量来着重分析正向、反向积分阶段。

　　1.正向积分阶段(INT)

　　在正向积分阶段,测量电路主要实现对ICL7135模拟输入电压UIN的两次定时积分。此时可画出ICL7135的等效电路,见图1。ICL7135对UIN进行定时积分,积分时间固定为T1=10000T0(T0为时钟周期)。此阶段结束时将在ICL7135内部积分器A2输出端得到输出电压

　　同时,为了实现对电容的测量,电路还通过外接运放A4由被测电容Cx对输入电压UIN进行积分。同样,在该阶段结束时外接运放A4输出电压

　　可见,在此阶段电路获得了与被测电容量成反比的输出电压值。它将由ICL7135内部模拟开关的切换而被选作A/D转换器基准输入电压,由积分电容进行反向积分,最终利用A/D转换器输出结果与其基准电压成反比的特性获得正比于被测电容量的数字量输出。因此可以认为方案设计中,正向积分阶段的主要目的是为反向积分阶段提供与被测电容量成指定关系的基准输入电压。

　　2.反向积分阶段(DE)

　　由前面的分析可知,在正向积分阶段结束时,被测电容Cx上已被充得电压为Ua。由于在正向积分阶段模拟开关S1的刀位指向a端(见图3),因此使C1上电压始终与Cx同步变化,在反向积分开始时,C1两端电压也为Ua。与此同时S1的刀位切换至b端,使C1与A4组成的积分电路脱开,于是C1两端电压Ua又被7135内部模拟开关选通作为A/D转换器的基准电压输入,经缓冲器A1被积分电容CINT进行反向积分,直到积分器的输出电压又回到零时此阶段才结束。显然,利用数学方法可求得反向积分时间T2,它由下列关系式确定：

　　在反向积分阶段Ua为定值,故上式可简化为

　　由(1)、(2)、(3)、(4)四式整理,可得

　　在T2时间内,7135内部逻辑电路进行时钟计数,并以数字量形式输出结果,仪表显示值N的表达式为

　　可见,此时电路实现了输出数字量与被测量成正比。适当选取R1、f0值,可以实现数字直读。例如,当选f0=200kHz,R1=5kΩ,小数点定在千位后边,则