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自己动手使用PIC16F628制作一个高精度的电容测试仪

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本文包含源代码、原理图、PCB、封装库、中英文PDF等资源

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1、作品简介
    贴片电容,不像贴片电阻那样上面还有数字标识,所以如果多个贴片电容不小心混在一起,是很难区分开来的,原因主要是一般的万用表没那么高分辨率的电容测试功能,为此本期,我们编辑组特意给大家介绍一款来自老外的电子制作,该制作属于开源,具有硬件简洁,但又不失高精度测量的特点,作者也提供了HEX源码,烧录完成后即可工作!该老外的大名是:Roman Black,他的网站是:http://www.romanblack.com, 顺此声明,该文章的版权归属:Roman Black, 我们这里只是转载和翻译,如翻译有所偏差,请以作者原文为准)。

2、作品亮点
   ① 具有很高的分辨率:达6~7位!(一般的仪器或制作,只有有3或4位)

   ② 测量范围较宽:0pF到50uF。

   ③ 硬件简洁,性价比高,使用到一个低成本的PIC单片机16F628。

   ④ 不需要校准!(其他需要校准的一个特殊的测试帽)

   ⑤ 类似电子秤的去皮功能,可自动归零,或相对值设置为零

   此外,亮点还包括:

      该电容测量仪,有三种显示格式,根据测量值大小有所差异,具体如下:

    0pF to about 18000 pF, format; "PPPPP.DD pF"

      18nF to 999nF, format; "NNN.DDD nF"

      1uF to 50uF, format; "UU.DDDD uF"

  显示精度:

    在pF级测量显示时,显示精度可达 +/- 0.02pF;

    而在nF和uF级测量显示时,显示精度可达 +/- 最后1位数字

3、原理图
1.png
  备注说明:以上电路中,最关键的是这个部分,这里特别提取出来分析一下:
2.png
  该电路是一个RC震荡电路,其中比较器直接使用了PIC16F628内部自带的比较器。该电路的震荡输出频率 Fout由RT和CT决定,基本不受供电电压影响,当RT固定时,这个电路可以作为一个高精度测量电容的电路(通过测量Fout的值,就可以计算出CT的值)。在这个电路中,R1和R2起的作用,是分压的作用,B点电压在1/3VDD或2/3VDD之间变换。

    单片机PIC16F628通过定时器精确地测量到Fout 值后,通过一个算法把待测电容器CT的值,显示在LCD显示屏上。需要指出的是,为了获得更好的精度效果,RT需要使用高精度的金属膜电阻,阻值为: 10.00K。

4、软件部分的描述

    软件部分,很可惜该作者没有给出源码,只是给出了最终可烧录的HEX文件。

    下面,我们来看看该作者实现这个电容测量仪的一些构思。(在此之前,我们建议大家先看该作者的另外一个设计技巧和思路:Zero-error 1 second Timer 零误差产生1HZ 的定时器,该高精度电容测量电路的算法核心就是用这个方法来设计的。)

    本电路中,单片机PIC16F628使用内置的CCP1硬件单元来捕获RC振荡器的频率,PIC定时器的运行时钟为4MHZ(16MHz/4=4 )。单片机累加连续捕获到的周期数(值),直到累加到的周期数超过两百万次(即>0.5 second),仅仅误差只是最初和最后1次的捕获到的周期值,所以的误差值被限制在每次最后一次捕获的两百万次的多余部分,从而最终达到1PPM的精度。现在,通过总周期数除以捕获到的周期数,就可以得到一个精确的平均捕获值,接着把该平均值再放大1000倍,即可获得除数后包含了多个数字的最终值(分辨率)。

  例如;

    "10nF" 的电容,测量到的振荡数是 435Hz

    218个连续的振荡值被累计,对应得到的总和值是:2004597

    从而有:(2004597*1000)/218 = 2004597000/218 = 9195399

    所以平均得到的周期数是:9195.399

  接着,第二步的处理是: 将平均得到的周期数转换为pF

     (9195399*100)/scale = 919539900/919 = 1000587

    1000587 最终被显示在LCD屏上的数字是:10005.87 pF

  类似地,再比如:

    "100pF" osc PIC单片机测量到的振荡数是 43500 Hz

    累计值首次超过2百万次,即实际达到2000091时,对应的振荡周期数是:21751

    从而有: 2000091000/21751 = 91953

    比例格式化: 91953000/919 = 100057

    最终, 100057 被处理和显示在LCD屏上的值是100.05 pF

5、材料清单(BOM列表)
  以下是这个电子制作的BOM列表,
器件名称
器件类型

备注
10KΩ ±1%
金属膜电阻


PIC16F628
PIC单片机

商城暂无
7805
7805

类似型号很多
16MHZ
晶振

类似型号很多
LCD显示屏 (3选1)
16x2 LCD屏

黑底白字效果
16x2 LCD屏

蓝底白字效果
16x2 LCD屏

黄绿底色效果



6、PCB实物图
3.png
4.png

7、调试过程和应用实例
    测试是很简单的,PCBA焊接和组装无误后,上电会显示320pF左右(此时假设是没有接上待测电容CT的),此时该RC振荡器的频率大概是220KHZ左右。接着,轻触按键对该电容测量仪进行归零,LCD显示屏显示"Zero Cal",随后该装置即可进行待测状态!在测量极小电容的时候,由于精度很高,同时温度影响,出现一些跳过,比如+-0.05的变动,是正常的。另外,如果这个RC振荡器停止震荡,或者待测电容的2端短路,或者超过50uF的电容被插入来测量,那么LCD将会显示"Error" ,并交替性出现"Error" 和 "Large cap"的提示。


8、总结
     Roman Black是个大牛,在他的个人网站上有很多他开源的作品,特别是他提出的“Zero-error 1 second Timer 零误差产生1HZ 的定时器”,这个算法在MCU中有很多应用,它可以让单片机即使使用特殊或有误差的晶振,也能产生精确的周期性、频率信号。这个算法,值得大家去学习和参考。另外这个电容测量仪的电路中,如果采用更高速的比较器,可以得到更准确的测量值,特别是在测量pF级微小容量的电容时,也欢迎大家去改进~ 。


附件:
官方原文:http://www.romanblack.com/onesec/CapMeter.htm
烧录文件(HEX): CapMeter.rar (3.72 KB, 下载次数: 0)
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