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1、简易数字式电容测试仪摘要 1设计要求 1第一章系统概述 21、总体方案的选择及可行性分析 22、方案论证 3第二章单元电路设计分析41、555定时器 42、用555定时器构成的单稳态触发器 53、用555定时器构成的多谐振荡器 64、占空比可调的多谐振荡器电路 75、同步十进制计数器74LS160 86、4位集成寄存器74LS175 87、LED数码管 9第三章电路总体描述及功能实现 101、总电路图 102、参数选择及仪表调试 113、产品使用说明 124、安装与调试 12第四章结束语131、总结 132、收获与体会 13参考文献 14附录 14附录一元器件表 14附录二鸣谢 15评语 16
2、摘要：利用单稳态触发器或电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成输出脉冲的宽度，即控制脉冲宽度Tx与Cx成正比。只要将此脉冲作为计数器的控制信号，便可得到计数脉冲， 把计数脉冲送给计数器计数，然后再经译码器送至数码管显示。时钟脉冲可由555构成的多谐振荡器提供。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数码管显示的数字N便是Cx的大小。设计技术指标1、要求能测试的电容容量在 100pF至100科F范围内，超出量程范围用发光二极管点亮。2、至少设计制作两个以上的测量量程。3、用三位数码管显示测量结果。第一章系统概述1、总体方案的选择及可行性分析数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的值
3、，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是LED显示，另一部分就是要将 Cx值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：方案一：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，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCln 31.1RCo从式中可以看出，当 R固定时，改变电容 C则输出脉宽tw 跟着改变，由tw的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则 Vo的平均值也不同，由 Vo
4、的平均值大小 可以得到电容 C的大小。如果把平均值送到 A/ D转换器，经显示器显示的数据就是电容 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。方案二：用阻抗法测 R L、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，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。方案三：像测量 R一样，测量电容 C的最经典方法是电桥法，如图 1所示。只是电容 C要 用交流电桥测量。电桥的平衡条件是：R95SkORIOWr-i5ko 60S1MOTOR，一R12VA-J 5kQZi*Zn*expj （小+和）=Z2*Zx*expj （加+
5、衣）R11L-WV 59（图1）通过调节阻抗Zi、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电 路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也 难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案四：应用基本思想：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。先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运 算求出C的值，并送出显示，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，该计数脉冲送至计数一锁存一译码一显示
6、系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，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式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。因 此本设计我们采用此方案。2.方案论证设计思路本设计中用555振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。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处 理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。或者把此脉冲作为闸门时间和-3 -简易数字式电容测试仪标准频率脉冲相“与”，得到
7、计数脉冲，该计数脉冲送计数一锁存一译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。如果超过电容的量程，则报警并清零。设计的总体框图该方案的总体方框图如图 2所示：（图2）第二章单元电路设计分析1.555定时器555电路符号如图3所示，如图4为555等效功能框图中包含两个 COMS电压比较器Ci和 C2, 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 组织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Ci和下比较器C2,它们分别提供 2Vcc/3和Vcc/3的偏置电压。UI6UI2（图3）u ICu
8、 I6UI2uO简易数字式电容测试仪(图4)555定时器的工作原理是：当输入电压Ui62Vcc/3, U2Vcc/3时，电压比较器Ci反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器Ci的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器 Ci的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1” ；电压比较器C2同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器 C2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0” ； RS触发器被置位，输出电压Uo等于1。555定时器输出与输入的关系也可用功能表来描述，555定时器的功能表如表 1所示RdUi6U2U0T的工作
9、状态0XX0导通1v 2W/3vW/31截止1v 2W/3W/3/、变/、变12W/3W/30导通（表1）由上表可知：(1) .当输入电压 Ui62Vcc/3时，Ui2从Vcc/3变化到 S/3时，电压比较器 C1 反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C1的输出电压为高电平信号“ 1”， RS触发器处在保持的状态， 保持Ui62W/3, U2 VMe/3时的输出状态，输出电压Uo等于1。(2) .当输入电压 U2Mc/3时，Ui6从 2Vcc/3变化到 2Vcc/3,Vcc/3时的输出状态，输出电压U。等于 0。(3) .当输入电压 Ui62Vcc/3, U2Vcc/3时，电压比较器
10、C1反相输入端的输入电压 大于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C1的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”， RS触发器被复位，输出电压Uo等于0。2 .用555定时器构成的单稳态触发器用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图5所示，其工作原理如下：接通电源瞬间，Vc=0,输出Vo=1,放电三极管 T截止。Vcc通过R给C充电。当Vc 上升到2Vcc/3时，比较器Ci输出变为低电平，此时基本 RS触发器置0,输出M=0.同时放 电三极管T导通，电容C放电，电路处于用t态，稳态时 V=1.当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1,电路进入
11、暂稳态。由于 Vo=1,三极管T截止，电源 W可通过R给C充电。当电容C充电至Vc=2W/3时电路又发生翻转，输出Vo=0, T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由RC电路参数决定。若忽略T的饱和压降，则电容 C上电压从0V上升到2Vcc/3的时间，即输出脉冲宽度tw 为： tw=RC In 31.1RCVccV|vcvI1vI2Vx Jrd8473 _6555215(a)0.01 aFCi图5由555构成的单稳态触发器3 .用555定时器构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图6所示，其工作原理如下：当接通电源Vcc后，电容C上的初始电压为0V,比较
12、器Ci和C2输出为1和0,使Uo=1, 放电管T截止，电源通过Rr R2向C充电。Uc上升至2Mc/3时，RS触发器被复位，使UO=0, T导通，电容 C通过 的到地放电，U开始下降，当 U降到 W/3时，输出Uo又翻回到1状 态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在 3脚输 出矩形波信号。由图6 (b)所示，U将在Vcc/3和2S/3之间变化，因而可以求得电容C上的充电时间 T1 和放电时间 T2 :T1= (R+R) Cln 2=0.7 (R+R) CT2=RC In 2=0.7R2c所以输出波形的周期为 T=Ti+T2= (R+2R) C In 2=0.7 ( R+2R)
13、 C振荡频率f=1/T=1.44/ (R+2R) C占空比 q= (R+R) / ( R+2R2) 50%如果RR,则q=1, UC近似为锯齿波。VCCR1VCCRDR2VI1VI2555n-CVOVC”T12oi ；t0 t1 t2(b)0.01C1(a)图6由555构成的多谐振荡器4 .占空比可调的多谐振荡器电路在图7所示电路中，由于电容C的充电时间常数 3=(Ri+R2)C,放电时间常数 2=R2C, 所以Ti总是大于T2, Vo的波形不仅不可能对称，而且占空比 q不易调节。利用半导体二极 管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器
14、，如图7所示。由于二极管的引导作用，电容C的充电时间常数 产RC,放电时间常数 加R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得：Ti=0.7RiCT2=0.7R2c-12 -VCCVI2vcVCC-87RDc丁3VO655520.01C1（图7）占空比为:ET Q Q Q2 Q3EP74LS160 COqP LDD）DD2D3T1T10.7R1cR1q 二二T T1T20.7R1c 0.7R2C R1 R2只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q,当R1=R2时，q=0.5, Vo就成为对称的矩形波。5 .同步十进制计数器 74LS160同步十进制计数器 74LS160如图8所示：(图
15、8)74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。74LS160的功能表如表 2所示：将74LS160构成十进制以下计数器可采用以下两种反馈方式：(1)反馈清零法反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零(清零)。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输EPETCP功能0XXXX清零1l0XXTW1111T计数:110Xx保持11X0X保持（表2）出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使数电路同步或异步地复位。(2)反馈置数法反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数
16、电路的置位端，在满足条件时，计数 电路输出状态为给定的二进制码。6.4位集成寄存器 74LS175采用3个二一一十 进制加法计数器.这里 选用3片74LS160级联 起来构成所需的计数 器.一片74LS160和数 码管连接如下图：CCABCDEGA 3LRU 需74V&0图4. 74LS160和数码管连接图三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图如下图:图5.三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图器触QEQCENTI 困LK中皿C 1 A B c D E- Gc o A B c D T VCRCQQQQWLQA 国小 田迎 c A B c D E GCL? WC 曲 RCOA 船
17、B C QCD QDE2 国M LMIXCLR1 VIX 於 RCOA gB GEC QCD QDETF ENT 映LOT皿VCC 於 RCO a qaB QE C QCD 的 坤 EIIT抑IM总体电路图2.参数选择及仪表调试：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=1.1RCx,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=1.1RCx,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74160识别出来，即无法计数。所以
18、我们设置的参数所产生的振荡脉冲的周期是很大的，约0.11ms,这个周期值也是为了应合 Tw中1.1RCx的值，即与I.IRCx成整数关系，这一点从一定程度 上能够减少了误差。用示波器可以很容易的调试出这个值。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(100 9999) *1pF, ( 100 9999) *100pF,(100 9999) *0.01uF。根据各量程档位可得其滑动变阻器的最大阻值由以下式确定：R=100*0.11m s/ (1.1Cx)(欧)为安全起见，本次设计中我们取得大一点。调试时分别用三个一直容量的标准电容，即102P的、104P的、10u的三个电容来分别调试三个电容量程档位， 插上电容后适当调节同一级的滑动变阻器，直到数码管显示正确的容值为止。参考文献1 .林涛.数字电子技术.清华大学出版社.20062 .杨刚/周群.电子系统设计与实践(第一版).电子工业出版社.2004.3 .高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.20024 .陈明义.电子技术课程设计实用教程 .中南大学出版社.20025 .崔瑞雪.电子技术动手实践.北京航空航天大学出版社.2007