使用PIC16F628制作一个高精度的电容测试仪

                                                                                                                  网友：Roman Black

 

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

   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：

     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，大部分器件可采购自立创商城（http://www.szlcsc.com）：

器件名称	器件类型	立创商城编号	备注
10KΩ ±1%	金属膜电阻	C58587
PIC16F628	PIC单片机		商城暂无
7805	7805	C77895	类似型号很多
16MHZ	晶振	C12676	类似型号很多
LCD显示屏 （3选1）	16x2 LCD屏	C83274	黑底白字效果
	16x2 LCD屏	C83275	蓝底白字效果
	16x2 LCD屏	C83276	黄绿底色效果

 

6、PCB实物图

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

 

 

 例子中的频率与计算的频率不一样是因为计算方法不一样。

我现在打算用pic16f88制作一个，

源文件中的2004597这个数是0.5S内的时钟脉冲个数，pic单片机晶振16MHZ，16/4=4MHZ，1/4MHZ=0.25us， 假设10nf，得到的振荡值是435，注意，只要是上升沿触发，也算一个脉冲。435/2=217.5=218。 1/435=0.002298850574S， 0.002298850574*218=0.501149425S，0.501149425/0.00000025=2004597.7。 至于公式里面的919这个数，我也不知道啊。我今天想了半天，只明白这些了，剩下的就看各位大佬了，看看能不能移植其他单片机，51单片机估计不行，最好是单指令周期的单片机，还要有内部比较器与CCp捕捉功能。估计也没人看了，就提前祝大家新年快乐

源文件中的2004597这个数是0.5S内的时钟脉冲个数，pic单片机晶振16MHZ，16/4=4MHZ，1/4MHZ=0.25us， 假设10nf，得到的振荡值是435，注意，只要是上升沿触发，也算一个脉冲。435/2=217.5=218。 1/435=0.002298850574S， 0.002298850574*218=0.501149425S，0.501149425/0.00000025=2004597.7。 至于公式里面的919这个数，我也不知道啊。我今天想了半天，只明白这些了，剩下的就看各位大佬了，看看能不能移植其他单片机，51单片机估计不行，最好是单指令周期的单片机，还要有内部比较器与CCp捕捉功能。估计也没人看了，就提前祝大家新年快乐

你说的计算公式与我写的计算公式不一样，我在网上查了一下，可能的R1与R2值有关，https://www.elecfans.com/dianzichangshi/20100420216401.html这个贴中，RC方波发生器的计算公式就是你所说的2RCln(2R1/R2+1),R1与R2的值不同，方波输出为正负电压。pic单片机电容测量电路，R1与R2的值是一样，方波输出为正电压，可能是这个原因导致计算公式不一样。https://www.yleee.com.cn/thread-89266-1-1.html这个贴子也是pic单片机制作电容测量仪的

关于原帖中的919这个数，今天一机灵，可能是这样，919=初始频率/指令周期。初始频率是原帖中电路中的270pf加上电路pcb的发布电容所产生的频率，指令频率是16mhz/4=4mhz，指令周期=1/4=0.25us.至于是不是，我也不清楚，这只是我的猜想，后期我试试看看吧。

 

我推演pic单片机电容表的计算过程，也不知道是否正确，毕竟没有原作者没有提供源代码。本人技术菜鸟，希望这个能够给大家有帮助。

这个电容测量仪的精华部分就零误差1s定时器的部分，能力有限，看不懂啊，希望大佬给讲讲。

通过几次计算，关于scale这个数据的计算方法是错误的