《简易电容测量仪的课程设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易电容测量仪的课程设计.doc（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、目 录1.课程设计目的12.设计任务与要求13.方案设计与论证14.单元电路设计与参数计算45.电路的安装与调试66.结论与心得7参考文献10电子技术课程设计（报告）1.课程设计目的 掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。不需拆母线, 一键全自动测量, 精度高, 稳定性好, 国内技术领先。量程自动转换, 大屏幕液晶显示, 汉字菜单操作提示, 可储存和打印数据。2.设计任务与要求设计电容数字测量仪电路。 组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。画出电容数字测量仪的电路图，写出设计报告。 主要介绍了本测量仪的主控芯片原理、单元电路的设
2、计和软件设计的思想。 它由测试电路和显示电路两部分组成。在测试电路中，555定时器做多谐振电路，它通过电容配合电阻充放电产生一系列方波脉冲。通过单片机的计算，得出电容充放电的准确时间，再由脉冲宽度计算公式算出待测电容的数值，最后通过液晶屏LCM1602显示器显示待测电容值。3.方案设计与论证目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。方案一：像测量R一样，测量电容C的最典型的方法是电桥法，如图1所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件为:12BArDrrrr图1 电桥的平衡条件通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件
3、以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案二：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路。当稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCln31.1RC。从式可以看到，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tW跟着改变，由tW的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V0取平均值，由于电容量的不同，tW的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电容C的大小
4、。如果把平均值送到位A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。但是我们对A/D 转换器的掌握程度还不够充分设计有一些困难。方案三：用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。方案四：万用（Q）表是用谐振法来测量C值如图2。它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。高频信号发生器定值ViR1R212LxQC1C234Cx图2 万用（Q）表
5、方案五：标准频率比较法。很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电容C转换成频率信号f, 转换的原理是555震荡器的震荡周期T=0.639(Ra+Rb)C, 周期T与电容的电容量C成正比，通过闸门控制电路控制计数器，对闸门内的脉冲进行计数，并由LED数码管显示出电容量。方案六：相对于方案五，我们把电容C转换成宽度为Tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计数，计数后再运算求出C的值，并送显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数
6、-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，频率f是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。因此本次设计我们采用此方案。设计思路本设计中用555震荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲，也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比。电路与基准电容C1、C2及R1R4组成基准电容容量频率转换器，以产生某一 固定的频率的基准脉冲，从IC1的第5脚输出，送往IC5的DIS端，作为记数脉冲使用。555双时基集成是C
7、OMS型的，内含两个相同的555时基电路。IC3为单时基电路555，它与R7R10、待测电容Cx的容量转换成特定频率的脉冲，称为待测脉冲。这样，由IC1及IC3就形成了测试、基准及待测三种脉冲。待测脉冲通过IC4控制IC5，对基准脉冲进行记数。由于待测脉冲的周期与待测电容的周期成正比，因此，选择适当的基准电容C1和C2，便会使计数器所记的数值为待测电容的容量。电路与基准电容C1、C2及R1R4组成基准电容容量频率转换器，以产生某一 固定的频率的基准脉冲，从IC1的第5脚输出，送往IC5的DIS端，作为记数脉冲使用。IC3为单时基电路555，它与R7R10、待测电容Cx的容量转换成特定频率的脉冲
8、，称为待测脉冲。这样，由IC1及IC3就形成了测试、基准及待测三种脉冲。待测脉冲通过IC4控制IC5，对基准脉冲进行记数。由于待测脉冲的周期与待测电容的周期成正比，因此，选择适当的基准电容C1和C2，便会使计数器所记的数值为待测电容的容量。另外，改变量程选择开关S1和S2的位置，可以得到不同的量程。IC5为3位BCD计数器MC14533，它采用动态显示方式，在DS1DS3的控制下，是三个数码管IC7IC9做扫描显示用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，宽量程数显电容测试仪的量程分为三挡，测试的容量范围分别为1999pF,1999nF,1999uF. 测量的结果用数码管显示。合理处理计
9、数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容的容值。或者把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋纽控制量程的选择，用计数器控制电路控制总量程，如果超过电容计量程，则报警并清零。4.单元电路设计与参数计算基准脉冲发生器（555振荡电路）分析IC3(555振荡器)及所属电路所示，将555定时器与几个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。当加上Vcc电压时，由于电容上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端3号脚呈高电平“1”，而内部的放电COMS管截止， 通过Rp和两个电阻对其充电，6脚电位随 上端电压的
10、升高呈指数上升，波形如图12所示。当上的电压随时间增加，达到2Vcc/3阈值电平（7脚）时，上比较器A翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出 呈低电平“0”。此时，放电管饱和导通， 上的电荷经下面的电阻至放电管放电。其包含两个COMS电压比较器A和B，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较器A和下比较器B分别提供2/3Vcc和1/3Vcc的偏置电压。当上比较器A的同相输入端R高于反相输入端电位2/3Vcc时，A输出为高电平，RS触发器翻转，输出端Vo为逻辑“0”电平。即当VTH2/3
11、Vcc时，Vo为 “0”电平，处于复位状态；而当置位触发端1/s的电位，即VS2/3Vcc时，下比较器B的输出为“1”，RS触发器置位，输出端Vo为“1”电平。即当VS2/3Vcc时，Vo为 “1”电平，处于置位状态。可见，该1/2TS556的等效功能框图相当一个置位复位触发器。在RS触发器内，还设置了一个强制复位端，即不管阈值端R和置位触发端1/s处于何种电平，只要使=“0”，则RS触发器的输出必为“1”，从而使输出Vo为“0”电平。当 放电使其电压降至1Vcc/3触发电平（2脚）时，下比较器B翻转，使RS触发器复位，经缓冲级倒相，输出 呈高电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。
12、由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间 就是 上的电压从1Vcc/3充电到2Vcc/3所需的时间，故两端电压的变化规律如（图3）所示：本设计用它产生T=0.11ms的基准脉冲。 ttV0t0VVt图3 无稳态多谐振荡波形启动脉冲发生器Ic1、Ic2（74121单稳态触发器脉冲延时电路）：本次设计，利用其触发功能实现窄负脉冲的延时，如总图中按测试开关后，Ic1的B号管脚会输入一个负脉冲，受该脉冲上升沿触发，产生一个宽为7ms的正脉冲。此正脉冲输入Ic2的A1、A2脚，正脉冲的下降沿触发，Ic2的uo2输出一个宽为0.7us的负脉冲，作为启动脉冲。转化为Tw宽度的矩形脉冲Ic3（5
13、55单稳态定时器）：555定时器构成单稳态触发器中，该电路的触发信号在2脚输入，R和C是外接定时电路。CD4511时BCD-7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由MOS逻辑器件NPN双极型晶体管器件构成。这些器件的组合，使CD4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。由此可直接驱动LED及其他显示器件。/LT、/BI、LE输入端可分别检测显示、亮度调制、存贮或选通一BCD码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。 用模拟式万用表的电阻档测量电容器，不能测出其容量和漏电阻的确切数值，更不能知道电容器所能承受的耐压，但对电容器的好坏程度能粗略判别，在实际
14、工作中经常使用。单稳态电路的工作波形如图4所示。VVTVVR4.7QR8 4755523516C图4单稳态电路的工作波形在未加入触发信号时，因ui=H，所以uo=L。当加入触发信号时，ui=L，所以uo=H，7脚内部的放电管关断，电源经电阻R向电容C充电，uC按指数规律上升。当uC上升到2VCC/3时，相当输入是高电平，555定时器的输出uo=L。同时7脚内部的放电管饱和导通时，电阻很小，电容C经放电管迅速放电。除铝电解电容外，普通电容的绝缘电阻应大于10M，用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置1k或10k倍率档，当表笔与被测电容并接的瞬间，表针会偏转很大的角度，然后逐渐回转，经过一定时间，表
15、针退回到处，说明被测电容的漏电阻极大，若表针回不到处，则示值即为被测电容的漏电阻值。铝电解电容的漏电阻必需超过200k才能使用。若表针偏转一定角度后，无逐渐回转现象，说明被测电容已被击穿，不能使用了。从加入触发信号开始，利用探头线圈产生交变电磁场在被测金属物中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，电流-频率变换电路的作用是将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机发出声响。金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出的信号就越强，频率就越高。采用CMOS时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，从而使探测器的振荡器振幅也发生变化。该振幅变化量作为探测信号，经放大
16、、变换后转换成音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测金属大小及距离的变化而变化。到电容上的电压充到2VCC/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间，用tW表示。Ic2的uo2输出的负脉冲送入Ic3的2号脚，受其下降沿的触发，Ic3的3号管脚输出宽度为Tw=1.1RpiCx的矩形脉冲。计数器：Ic2输出的矩形脉冲送到74161的Ep、Et，Ep=Et=1时，161开始计数到矩形脉冲的下降沿为止，以后Ep=Et=0，161处于保持状态，只有下一次受启动脉冲的影响清零并重新计数。寄存译码显示系统：计数器的计数值送到锁存器74175的输入端闸门脉冲的下降沿反乡后
17、，作为175的CP脉冲触发175锁存计数终值并由输出端送出到BCD七段译码器，将其译码并由7447LED数码管显示，如果清零脉冲没有到达就一直显示，清零键按下后，清零。参数选择及仪表调试：以最小的电容值100pF为例，因为测试电容的原理是：闸门信号Tw=1.1RpiCx，而振荡器输出周期为T=0.7(Ra+2Rb)C的基准脉冲，我们设置电路使0.7(Ra+2Rb)C=1.1Rpi那么在闸门信号闸门内有多少个基准脉冲电容，值就为多少。 从实际中考虑，1ps的周期脉冲是很难产生的，即使能产生，这样的脉冲也无法令74161识别出来，即无法计数。所以我们设置的参数所产生的振荡脉冲的周期是很大的，约0.
18、11ms，这个周期值也是为了应合Tw中1.1Rpi的值，即与1.1Rpi成整数倍关系，这一点从一定程度上减少了误差。用示波器可以很容易的调试出这个值。当探测线圈L靠近金属物体时，由于电磁感应现像，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。从电路中可以看到基准脉冲发生器的555振荡器的电阻，三个档位分别有三个变阻器即是为提高精度而设置的。本设计方案中有三个量程档位分别为(1009999)*1pF，(1009999)
19、*100pF，(1009999)*0.01F。根据各量程档位可得其滑动变阻器的最大阻值可以由下式确定：R=100*0.11ms/(1.1Cx)=1/100Cx (欧)为安全起见，本次设计中我们取得大一点。 调试时分别用三个已知容量的标准电容，即102p的、104p的、10的三个电容来分别调试三个量程档位，插上电容后适当调节同一级的滑动变阻器，微弱的振荡信号通过由反相器IC-2和电阻R1组成的放大电路进行放大，再由二极管VDI进行整流，整流后的信号由反相器IC-3和IC-4进行放大。最后通过二极管VD2去控制由1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态。作为探头的电感L在没有接近金属物体时，电
20、路正常起振。振荡信号控制音频振荡器停止工作，扬声器不发声。直到数码管显示正确的容值为止。测量时，调节信号源的频率，使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率，从而测电容值C。5.电路的安装与调试将测量电容插入待测插座。按一下测量开关K4, K4产生的负脉冲将计数器和寄存器清零，同时触发Ic1，则由Ic1为主组成的555单稳态触发器会产生一个有一定延迟时间的负窄脉冲，既启动脉冲，启动脉冲作为Ic2为主组成的555单稳态定时器的输入信号输入Ic2，则由Ic2会产生一个宽度为tw=1.1RpiCx的矩形脉冲，用这个矩形脉冲输入到74161计数器
21、的使能端Ep、Et端，由161记数器的功能表可知，即可形成计数器计数的闸门信号。同时由Ic3为主的555无稳态多谐振荡器已经开始工作产生周期为T=0.7(Rpi+a)*1000p的脉冲信号(其中为上电阻)，即为基准脉冲信号，他作为161的CP脉冲，则此时，161在闸门内计数。四片161芯片构成10000进制计数器计数值没超过仪表量程时，计数器计数终值的每一位分别由74LS175锁存，然后由74LS47译码，最后由四个LED数码管显示出来，显示值乘以倍数加上单位即为待测电容值。如果发现Cx值不在本档位量程范围以内，则报警器会报警，同时数码管显示0，则可根据说明选择其他档位。若三个档位均可报警，则
22、说明Cx值不在本仪器量程范围内。6.结论与心得本设计完成题目所给的设计任务，设计了一台数字显示的电容器参数测试仪，满足题目的基本要求和一部分发挥要求。仪表有性能可靠、精度高、电路简单的特点。但是这种把元件参数转换成频率后测量的方法也有不足之处，主要是必须保证电路起振，并且振荡要稳定，否则会增加误差。总体来说，本次设计是成功的。老师将课题安排下来之后，我选了“数字频率计的设计”。回顾起此次课程设计，至今我感慨颇多，的确，从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，在整整一个星期的日子里，而且对于体积较大的金属物体，探测的范围会相应的增大，考虑到该装置使用电池供电，还设计了电源欠压提示功能，提醒用
23、户及时更换电池。设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么什么样的功能。另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。可以说得是苦多于甜。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，在设计的过程我也学到了很多知识。全自动电容测试仪是在无功补偿装置专家工作组的指导下，它着重解决了以下问题： (1) 现场测量电容器需拆除连接线，不仅工作量大而且易损坏电容器； (2) 电容表输出电压低而导致故障检出率低。 电力电容测试仪的电流测量单元还可兼作CVT、避雷器等电器设备的测量之用，具有一机多能的功效 。全自动电容测试仪主要解决在变电站现场测量电容器的电容值时存在的问题，如现场测量电容器
24、需拆除连接线，不仅工作量大而且易损坏电容器；电压表输出电压而导致故障检出率低。对这次设计的电路，我感到最满意的是K键的设置及量程控制所达到的高精度效果。K键有测试、清零、安全则清楚报警三个功能。为提高精度，本仪表只显示100-9999之间的数，当然具体的容值还要看量程档位。当然如果要更加完善设计，还是有很大的发展余地的，比如说可以加入延时清零电路、可以设置更多的档位等等。参考文献1 张文荣.模拟电子技术课程教学新探J. 河北能源职业技术学院学报.20042 余道衡，徐承和. 电子电路手册M. 北京：北京大学出版社， 19963 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20014 彭介华。电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，19975 阎石，数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，19986 卢结成，陈力生，田红民等.电子电路实验及应用课题设计M.合肥：中国科学技术大学出版社，20021