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于丹课设报告自动保存的
沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
电容测量电路的设计
班级/学号94060109/2009040601353
学生姓名于丹
指导教师赵鑫
沈阳航空航天大学
课程名称模拟与数字电子技术课程设计
院（系）机电工程学院专业机械电子
班级94060109学号2009040601353姓名于丹
课程设计题目电容测量电路的设计
课程设计时间:
2011年12月12日至2011年12月25日
课程设计的内容及要求：
一、设计说明
设计一个电容测量电路。
电容测量在工业现场十分常见，一般可以使用万用表进行电容测量。
但是，在某些系统中需要使用电容测量的功能时，就不便于使用万用表，因此，掌握电容测量的基本方法是很有必要的。
电容测量一般方法包括2种，一种是利用NE555的RC充放电原理，另一种是利用容抗法。
二、技术指标
1．电容测量范围：
0.2uf—20uf。
2．测量精度：
±10%。
三、设计要求
1．设计建议采用NE555的RC充放电原理或容抗法。
2．要求给出电容值和输出量之间的关系。
3．输出量和测量电路之间可以考虑增加光电隔离。
4．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
四、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案。
2．部分仿真或实际验证所设计的电路。
3．进行实验数据处理和分析。
五、推荐参考资料
1.姚福安.电子电路设计与实践[M]济南：
山东科学技术出版社，2001年
2.阎石.数字电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
3.刘贵栋主编.电子电路的Multisim仿真实践[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2008年
4.童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础,[M]北京：
高等教育出版社，2007年.
六、按照要求撰写课程设计报告
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
成绩评定表
评语、建议或需要说明的问题：
指导教师签字：
日期：
成绩
一、概述
本设计通过测量加计算的方式来得到被测电容的数值。
利用NE555芯片设计成施密特触发器，然后将施密特触发器设计为多谐振荡器，得到输出信号，再通过计数器来计算NE555输出的脉冲信号的频率，之后通过译码器将频率显示在数码管上。
此时数码管上显示的为脉冲信号的频率，最后通过计算来得到所测电容的数值。
通过软件仿真设计的电路，能够得到在误差范围内的电容值，可以达到设计指标。
二、方案分析
首先利用NE555设计成施密特触发器，再将施密特触发器设计为多谐振荡器，此时NE555输出为脉冲信号，再通过计数器来计算NE555输出的脉冲信号的频率，再通过译码器将频率显示在数码管上。
由于数码管显示的为脉冲信号的频率，不是所测的电容数值，所以需要通过公式
T=1/f=（R1+R2）*C1*ln2
来得到被测电容的数值
系统设计框图如图1所示。
图1系统设计框图
三、电路设计
本设计电路部分主要由多谐振荡器电路、计数器电路和译码显示电路组成。
1、多谐振荡器电路
首先利用NE555组成多谐振荡器，电路如图2所示。
多谐振荡器输出为脉冲信号，为了得到脉冲信号的频率，再利用一个NE555组成定时器电路，根据
T=（R3+R4）*C2*ln3
得出，定时时间为1秒，根据数码管显示的数值为1秒钟内脉冲的个数，得出多谐振荡器脉冲的频率，再根据多谐振荡器频率计算公式
T=1/f=（R1+R2）*C1*ln2
得出电容值。
图2多谐振荡器电路
2、计数器部分电路
计数器电路采用双4位二进制计数器74LS393。
74LS393的异步清零端为高电平时，不管时钟端状态如何，都可以完成清除清楚功能；当异步清零端为低电平时，在时钟端的脉冲下降沿作用下进行技术操作。
将多谐振荡器电路的输出端通过一个与门接至74LS393的CLK引脚作为时钟信号，由于CLK为下降沿有效，所以每产生一次下降沿，计数器记一次数。
当按下按键时，高电平经过或门输出为高，两个或门输出的高电平再经过一个与门输出高电平，该电平接至74LS373的异步清零端，完成清零功能。
电路如图3所示。
图3计数器电路
3、译码显示电路
译码显示电路如图4所示。
译码是通过74LS47实现的。
74LS47是用于将BCD码转换为数字的BCD-7段译码器/驱动器。
将其BI/RBO、RBI、LT引脚均置高，A、B、C、D4个输入端接至计数器的输出端Q1、Q2、Q3、Q4，即可输出计数器的计数值。
图4译码显示电路
四、性能测试
1、电容测试
通过按键操作，实现测量类型和量程的选择，根据测量结果对设计进一步进行校正和对实现功能的可靠性的确认。
测试电容的数据结果如下
被测电容值
（uf）
数码管显示频率（HZ）
计算所得电容值
（uf）
相对误差值
（%）
0.2
14
0.203
1.5%
10
45
10.183
1.8%
20
91
19.800
1%
2、多谐振荡器电路测试
当改变的电容值在设计要求的0.2uf—20uf范围内变化时，数码管输出的数值会改变，并且可以正常显示数值。
3、计数器电路测试
本设计的计数器可以正常工作
3、译码显示电路测试
数码管可以正常工作，可以显示0-99的数字。
4、测试结果
利用软件仿真时，仿真效果如图5所示。
选择电容值为0.2uf的电容作为待测电容，按下一次按键，数码管显示14，即脉冲的频率f为14Hz。
再根据
T=1/f=（R1+R2）*C1*ln2
通过公式计算得出C1为0.203uf
测量结果与实际电容的数值在误差允许范围内，测试结果正确，效果理想，达到设计要求。
5、测设分析
在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法，测试温度等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。
为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差。
所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中，求取某类系统误差的修正值。
在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键，修正值的获得有三种途径。
第一种途径是从相关资料中查取；第二种途径是通过理论推导求取；第三种途径是通过实验求取。
本测试修正值选取主要通过实验求取，对影响测量读数的各种影响因素，如温度、湿度、电源电压等变化引起的系统误差。
通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值，最后确定被测参数公式的常数K值，从而达到减小本设计系统误差的目的。
由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成，所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的误差，所以只能通过多次实验测量，选取合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差。
五、结论
利用NE555组成的多谐振荡器中电容值的不同输出频率不同，根据测量输出的频率来计算出所测的电容值。
所得的电容值误差在设计要求允许的范围内。
设计的线性度较小，达到设计指标的要求。
当然也有需要改进的地方，本系统的测量频率的最大只有99HZ，超出可能会导致无法正常显示。
六、性价比
本方案的设计方法电路精简，成本低廉，在保证功能实现的同时方便设计。
通过多次的选择筛选元件，综合价钱与功能的实现，认真分析考虑，选出了性价比高的元件来模拟这次电路！
但是缺点明显，无法测量电容值大一点的电阻在，只能测量0.2uf—20uf范围内的电容。
七、课程设计体会
通过此次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识与理解，掌握了数显频率计的设计、组装与调试方法。
更加熟练的运用仿真软件，并学习了运用软件测试、调试、改进电路。
培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。
在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。
所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。
不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。
或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九宵云外去了吧!
本次设计是本人第一次运用数字电路模拟实际的东西。
因而在许多方面都还不熟练,不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。
不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，学会了Multisim的一些基本使用方法，培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对数电、模电知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。
总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。
建议学校以后把课设的时间不要安排在期末考试的时间，最好是期末考试结束以后，这样可以减轻学生和老师的压力，而且可以更加认真的去学习。
参考文献
1．阎石著.数字电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2005年
2．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
3．南新志、刘计训主编.数字电路实验教程.[M]北京：
国防工业出版社，2002年
4．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：
电子工业出版社，2003年
附录I总电路图
附录II元器件清单
元器件名称
个数
元器件名称
个数
NE555
2
74LS373
2
共阳数码管
2
74LS47
2
74LS09与门
1
74LS32或门
1
按键
2
10U电容
2
1N4148二极管
3
0.1U电容
1
10K电阻
1
51K电阻
1
100K电阻
1
1K电阻
21
510K电阻
2
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