一種自適應量程精度的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自適應量程及精度的液體介電常數(shù)檢測測量系統(tǒng)。所述介電常數(shù)測量系統(tǒng)由(1)待測電容檢測裝置；(2)單片機和(3)LCD顯示器組成。所述單片機通過控制待測電容檢測裝置內(nèi)的開關(guān)電路，首先通過待測電容檢測裝置內(nèi)的電容初檢電路、整流穩(wěn)壓電路、低精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器及相應計算公式獲得待測電容的估計值，利用該估計值控制鎖相環(huán)輸出合適精度的采樣時鐘；然后改變待測電容檢測裝置中開關(guān)電路的狀態(tài)，通過RC充放電支路和比較器電路獲得待測電容充電脈沖，用采樣時鐘進行采樣獲得充電時間并通過計算獲得待測電容的精確值；最后根據(jù)測量電極的結(jié)構(gòu)及測量獲得的電容值計算得到對應液體的介電常數(shù)并在LCD顯示器中顯示。
【專利說明】一種自適應量程精度的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路與系統(tǒng)設計領(lǐng)域，尤其涉及一種自適應量程及精度的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]液體的電學特性中一個重要參數(shù)是它們的介電常數(shù)ε。為了檢測介電常數(shù)，一般通過測量被同種液體介質(zhì)完全填充的電容器的電容值，然后根據(jù)電容器的計算公式得到其介電常數(shù)。該方法可以用于區(qū)分不用成分的液體，以及鑒別變質(zhì)、受污染的液體如工業(yè)潤滑油、食用油等，目前已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)中。
[0003]為了實現(xiàn)高精度測量，模擬電路系統(tǒng)的精確度是有限的，而數(shù)字電路部分可以通過內(nèi)部提供高頻率的時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣計算，并通過內(nèi)部寄存器計數(shù)得到較為精確的值。
[0004]不同的液體介電常數(shù)變化范圍很大，這就意味著電容測量系統(tǒng)在面對多種液體時量程會發(fā)生很大的變化，如以真空的介電常數(shù)為1，汽油的相對介電常數(shù)為1.9，食用油的介電常數(shù)為2?4，乙醇的相對介電常數(shù)為25，蒸餾水的相對介電常數(shù)為81，這也意味著，若將固定形狀的電極浸入待測液體中，其對應待測電容值變化較大。若系統(tǒng)的數(shù)字部分使用固定的精度，即采用固定頻率的采樣時鐘，待測電容較小時測量精度不高，待測電容較大時可能會超出量程范圍。為了盡可能的提高電容測量的精確程度并擴大測量的范圍，需要在各種情況下盡可能地使計數(shù)器得到較大的值，需要根據(jù)待測電容的值自適應地調(diào)節(jié)采樣時鐘的頻率。
[0005]為了實現(xiàn)這個系統(tǒng)，我們需要一種可以適應不同量程的電容測量系統(tǒng)，在所測電容的值比較小時選擇小量程，高精度的測量方式，在所測電容值較大時，選擇大量程，低精度的測量方式。
[0006]本發(fā)明提出一種系統(tǒng)，可以根據(jù)測量得到的電容值自動選擇量程和精度，在量程較小時，可以選擇較小的測量精度，這樣可以充分利用芯片內(nèi)部的計數(shù)器上限，在不同的量程下得到更為精確地結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決的問題是電容測量系統(tǒng)中量程選擇和對應的精度控制的問題。通過兩步檢測，第一步用于選擇電路系統(tǒng)使用的測量精度，第二部用于精確測量電容
[0008]為解決上述。技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種電容測量系統(tǒng),包括:
[0010]待測電容檢測裝置，用于將浸入待測液體的電極對應的電容轉(zhuǎn)換為其他電學特性，如頻率和脈沖。并將這些電學特性以數(shù)字信號的方式輸入測量系統(tǒng)；
[0011]單片機，用于輸出開關(guān)控制信號控制選擇待測電容檢測裝置中的開關(guān)，選擇不同的支路。接著通過第一步檢測得到的電容值選擇系統(tǒng)的量程并計算出該量程下的計算精度。并根據(jù)此量程選擇用于采樣的時鐘頻率，精度計算單元根據(jù)此頻率計算出電容測量計數(shù)值的最小精度。單片機用上面計算出的量程控制鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生采樣時鐘對第二部檢測得到的輸入波形信號進行采樣得到時鐘周期計數(shù)，最后根據(jù)精度結(jié)果和時鐘周期數(shù)計算出精確電容值，進一步根據(jù)選用的電極結(jié)構(gòu)可以計算出對應液體的介電常數(shù)值。
[0012]輸出及顯示部分，輸入單片機計算得到的結(jié)果，輸出到其他系統(tǒng)或者輸出到LCD顯示器上供人們讀取。
[0013]進一步的，所述電容測量系統(tǒng)包括:
[0014]使用運算放大器上的RC負反饋電路構(gòu)成的電容初檢電路，根據(jù)輸入的正弦信號獲得相應交流輸出信號；
[0015]整流穩(wěn)壓及交直流轉(zhuǎn)換電路，將初檢得到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號；
[0016]模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，用于將初檢得到的直流電壓信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字信號，輸入給單片機用于量程控制；
[0017]使用RC電路的充放電支路，用于在確定了檢測使用的采樣時鐘信號之后，使用RC電路對待測電容進行充電，并得到對應的充電波形；
[0018]電平比較電路，通過高精度比較器和邏輯門得到對應0-|匕充電電壓范圍內(nèi)的脈沖信號。
[0019]電路選擇開關(guān)，用于在不同的階段打開不同的充放電支路，完成測量。
[0020]進一步的，所述單片機單元包括:
[0021]鎖相環(huán)PLL，通過計算得到的量程選擇結(jié)果，控制輸出時鐘的頻率，作為對輸入脈沖信號的采樣時鐘，從而提高采樣精度。
[0022]運算單元，通過精度計算單元得到的測量精度，再通過對采樣計數(shù)得到的周期數(shù)兩者結(jié)合計算出該電容的高精度電容值或者介電常數(shù)值。
[0023]開關(guān)控制信號，通過單片機的控制輸出信號控制電容檢測單元里的開關(guān)，控制電容檢測電路進行初檢和第二次檢測等步驟。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1展示了了本發(fā)明的介電常數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2示例性地描述了電容檢測單元的一種實現(xiàn)方案的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖3示例性地描述了系統(tǒng)中單片機輸入輸出信號圖；
[0027]圖4展示了系統(tǒng)中單片機的軟件工作流程圖。
【具體實施方式】:
[0028]下面通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0029]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，左側(cè)單元I為待測電容檢測裝置，其中包含利用運算放大器搭建的反饋電路和利用RC建立的RC充放電支路，對應的控制開關(guān)，及用于將待測電容得到的充電波形轉(zhuǎn)換為脈沖信號的電平比較模塊。中間單元2為包含鎖相環(huán)PLL的單片機，用于選擇測量量程，計算測量精度，控制選擇電容檢測裝置里的電路和工作步驟，并計算最終的電容值或介電常數(shù)值，其中的鎖相環(huán)PLL使用量程選擇對應的信號輸出一個高頻時鐘信號對取值部分得到的波形采樣，對其脈沖信號計數(shù)，從而得到電容在選定電容值范圍內(nèi)的充電時間對應的周期數(shù)，再通過精度計算部分送入的精度信息計算得到電容值或?qū)慕殡姵?shù)值。右側(cè)單元為LCD顯示器單片機計算得到的結(jié)果輸出到LCD上進行顯示。
[0030]其中:
[0031]待測電容檢測裝置，即單元I的結(jié)構(gòu)參考圖2所示，圖2中101、102、103、104、105
均為電路受控開關(guān)，由三極管或者MOS管實現(xiàn)，受單元2單片機給出的控制信號113控制。其中實施方式為:




[0032]圖2中，Cx在空氣中的電容值為C。，106接入的是固定頻率為
【權(quán)利要求】
1.一種自適應量程及精度的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)，由待測電容檢測裝置；單片機和IXD顯示器組成。
2.如權(quán)利要求1所述的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)，其特征還包括，所述待測電容檢測裝置，包含利用運算放大器反饋支路和RC充電電路構(gòu)成的兩個支路，由開關(guān)陣列控制電路中兩個支路的選擇和待測電容的充放電。
3.如權(quán)利要求2所述的待測電容檢測裝置，其特征還包括，包含整流穩(wěn)壓電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將運算方法器反饋支路獲得的交流信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字電壓值，用于計算電容估計值。
4.如權(quán)利要求2所述的待測電容檢測裝置，其特征還包括，包含電平比較電路，通過高精度比較器和邏輯門得到對應充電電路輸出0_|匕電壓范圍內(nèi)的脈沖信號，用采樣時鐘采樣獲得其長度后用于計算電容精確值。
5.如權(quán)利要求1所述的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述介電常數(shù)測量系統(tǒng)經(jīng)過兩次測量得到電容的精確值，第一次測量得到電容估計值，用于選擇第二次測量時的量程和精度，輸出給鎖相環(huán)的控制信號改變精確測量時采樣的時鐘頻率，再由第二次測量得到精確電容值。
6.如權(quán)利要求5所述測量過程，其特征在于，第一次測量采用運算放大器結(jié)合低精度ADC實現(xiàn)，輸入交流信號，利用RC支路反饋得到輸出信號的有效電平值，并由ADC得到對應的數(shù)字值，并計算獲得電容估計值。
7.如權(quán)利要求5所述的測量過程，其特征在于，利用所述電容估計值選擇適合的量程和精度，并控制單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路輸出響應頻率的時鐘信號。
8.如權(quán)利要求5所述的測量過程，其特征在于，第二次測量采用通過電阻對電容充電的方法，通過比較器得到對應充電過程中O?電平范圍的脈沖信號，并采用鎖相環(huán)輸出的時鐘信號采樣得到脈沖信號的長度，通過計算獲得電容精確值。
9.如權(quán)利要求1所述的液體介電常數(shù)測量系統(tǒng)，其特征還包括，所述單片機軟件工作流程包括: 根據(jù)電容檢測單元第一次檢測得到的電容值計算精確測量所需要的量程及對應的精度，輸出對應的信號控制鎖相環(huán)產(chǎn)生采樣時鐘； 使用鎖相環(huán)產(chǎn)生的采樣時鐘對電容檢測單元第二次充電得到的脈沖波形進行采樣，并將所得到的結(jié)果結(jié)合前面計算出的精度得到電容的精確值，并根據(jù)電容值計算液體的介電常數(shù)。 將液體介電常數(shù)值輸出至IXD顯示。
【文檔編號】G01R27/26GK103675463SQ201210192886
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月12日
【發(fā)明者】王新安, 王騰, 蘇昕東, 陳紅英, 謝崢, 倪曉宇, 饒先拓 申請人:北京大學深圳研究生院