武汉理工大学数电课程设计电容测试仪报告书.docx

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武汉理工大学数电课程设计电容测试仪报告书

一、摘要

电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，此次我的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。

数字化测量仪器较模拟仪器具有使用方便，测量精确等优点。

本次课程设计是针对数字式电阻测试仪的设计，介绍了数字式电阻测试仪的设计方案及其基本原理，并着重介绍了数字式电容测试仪各单元电路的设计思路，原理及整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。

大多数电容可以用万用表电阻档测量其充放电情况，以判断其好坏和估测其大小。

但是对于容量较小的电容，其充放电电流很小，万用表表针几乎看不出摆动，所以无法检测。

小容量电容表可以解决这个问题。

电路采用了两个555时基电路，分别构成时钟电路和测量电路，构成级数、锁存、译码、显示电路，显示电容的值。

555构成多谐振荡器和单稳态触发器，由被测电容控制单稳态触发器的高电平时间，进而控制计数时间。

二、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。

外部旋钮控制量程的选择，用计数器控制电路控制总量程。

想要实现待测电容的数字式测量，最主要的是将待测电容相关的模拟信号转换为数字信号。

我们利用的是555单稳态触发器来实现这点。

知道555单稳态触发器能实现数模转换后，最关键的就是将待测电阻容值的模拟信号以何种方式输入到555单稳态触发器中。

根据测量原理的不同，其输入方法有很多，如直接法、电桥法和充放电法。

各种办法都有相应的优缺点，例如充放电法及直接法均需求得被测样两端的电压与通过被测样的电流，利用欧姆定律从而得出被测的电容，电桥法则是利用电桥两端电位的平衡来得出被测样的电容。

其中利用直接法测得的电容（如“摇表”）存在读数不精确等明显的人为因素忧，在读数较大的情况下尤其如此；利用充放电法测得的电容值偏大；而利用电桥法测量，则存在电桥调节费时费力等不利因素。

下面列出两种方案进行分析：

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=RC㏑3≈1.1RC。

从式中可以看出，当固定时，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2.1所示。

只是电容C要用交流电桥测量。

电桥的平衡条件是：

Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）]=Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]

图2.1电桥电路

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—锁存—译码—显示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。

三、原理说明

3.1系统原理说明

系统总体框图如图所示：

74160N

计数器

译码、驱动、显示

555单脉冲产生电路

555多频振荡器

工作原理：

555单脉冲产生电路产生的脉冲和555多频振荡器产生的脉冲相与后74160N计数器计数后，再经过译码、驱动后，通过数码管显示出脉冲个数。

基本原理是将电容值转化为频率，然后测量出转化后的频率，最后根据一定的关系即可得出待测电阻阻值，设计过程中，设置好相应元件的参数，使数码显示管显示的数字即为待测电容值。

3.2各部分电路原理说明

3.2.1单稳态电路

用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图3.2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C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Vo=0.同时放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Vi=1.

当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1，电路进入暂稳态。

由于Vo=1，三极管T截止，电源Vcc可通过R给C充电。

当电容C充电至Vc=2Vcc／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㏑3≈1.1RC

3.2.2多谐振荡器电路

电路图如下图所示，其工作原理如下：

当接通电源Ucc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。

Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/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。

由图所示，可以求得电容C1上的充电时间T1和放电时间T2：

T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C

T2=R2C㏑2≈0.7R2C

所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C

R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms

振荡频率f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]≈500Hz

占空比q=（R1+R2）／（R1+2R2）≈58.2％

3.2.3计数部分

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。

其管脚图如下所示：

设计中74LS160的连接图如下

3.2.4锁存器部分

由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。

74LS273工作原理是：

MR为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输入信号变动，直至下一个上升沿到来。

这里的CLK输入由单稳态输出接反相器得到。

当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁存。

以正确显示电容值。

74LS273的管脚功能介绍如下：

74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。

（1）脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部输出0,即全部复位;

（2）当1脚为高电平时,11（CLK）脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上.

74LS273的管脚图如下所示

锁存电路如下：

3.2.5译码及数码显示部分

74LS248芯片的功能即将四位二进制表示的数进行译码，以驱动共阴的七段数码管显示其值。

因为译码电路用的是74LS248，所以这里选用八段共阴数码，电路图如下：

四、参数计算

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（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）C*N=1.1RCx，因为要用显示数值表示电容大小。

将被测电容安装在单稳态电路中电容C3位置处，选择一个量程的开关合上，并点击运行开关。

若显示值在1-100之间，则说明量程选择正确；若显示值为000，则说明量程选择大，应调小量程；若显示值大于100，则说明量程选择太小，应调大量程。

档位分为100pF到10000pF，10000pF到1uF。

设定R1=4.7k，R2=12k，C=0.1uF，则由上式和量程可以算出180k和18000k。

180k的档位是大量程，显示示数要乘以10000。

18000k的档位是小量程。

选定R1=4.7K,R2=12K后，可计算得多谐振荡器的输出频率为500Hz，设计数器的级数个数为n，待测电容值为Cx，可得n×ln2×R1+2R2C=ln3×RCx

调测R1，R2，R的值可以使n和Cx在数值上相等，及达到测量电容的目的。

五、实物焊接与调试

电路分为6个模块进行焊接，分别为多谐振荡器、单稳态触发器、计数器电路、锁存器电路、译码器电路、数码管显示电路。

因为实际电阻和电容不可能为理论值，多谐振荡器的频率和单稳态触发器的高电平时间也不会为理论计算值，在这种情况下为了能测量电容的值就需要进一步的调试。

调试时先用万用表测得R1=4.66K，R2=11.70K,R3=175.9K,R4=17.53M。

测得多谐振荡器的输出频率为748Hz,待测电容Cx为0.1uF时，单稳态触发器的高电平时间为6.4ms，显然误差较大，为了减小误差，对电路做了一些调整，将R1改为10K。

改进之后电路的测量如下图：

（待测电容为0.22uF）

六、元件清单

元器件名称

大小

数量

NE555

2片

74LS160

3片

74LS248

3片

74LS273

2片

74LS04

1片

共阴数码管

3个

电容

0.1uF

2个

电容

0.01uF

1个

电阻

4.7K

1个

电阻

12K

1个

电阻

180K

1个

电阻

18M

1个

单刀双掷开关

1个

七、心得与体会

这是一次理论与实际相结合的过程，在这一过程中，我们终于能将所学的知识应用到生活实际中去。

以前学习总感觉知识与实际脱离的太远，学得再好，过不了多长时间就全忘了，到头来学了也不知道有什么用，学了也没用到实处去。

而这次课程设计，虽然我们只是在软件上实现其功能，而没有做出实物，但这也让我们充分体会到了知识的魅力，实践的乐趣。

由于我开始有自学过单片机，用过proteus软件，对一些功能模块比较熟悉，所以接到设计任务时对各部分电路有了整体的认识。

结合相关的资料，我便开始设计起电路图来。

在设计过程中，多谐振荡器中电容电阻值的选择，量程的设计及单位显示电路的设计是值得注意的。

74LS160对计数脉冲有一定的要求，同时多谐振荡器的频率也会影响测量精度。

所以多谐振荡器的电容电阻值的选择有一定的讲究。

在设计量程时，我是通过改变单稳态电路6、8引脚间的电阻值来设计的。

但最后在调试时发现，测量档位在1uf-100uf时，某些电容值的显示结果很不稳定，于是我便在在该档位下，在在多谐振荡器的C2电容间并联一个电路，以减小输出脉冲的频率，同时增大单稳态电路的定时时间以达到测量结果不变的目的。

当然，在整个设计过程中并非只遇到这几个问题。

我们可能会因为一个问题而在电脑前调试好几个小时。

但这发现问题、解决问题的过程就是我们学习的过程。

只有这样，我们才能体会到成功后的喜悦，也只有这样，我们才能真正学到知识，开拓思维，提高动手能力。

在我看来，拼装出这个电路是其次，因为在网上，资料书上很有可能就有这个电路。

重要的是培养自己的设计、创新能力，解决问题的能力。

在这两周期间，同学们相互讨论，相互交流，相互学习，无疑也是一次团结合作精神的培养。

总的说来，这是一次综合能力的锻炼。

也激发了我们动手的欲望，学习的激情。

八、参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础（第四版/第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006．

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[3]金唯香，谢玉梅．电子测试技术[M].长沙：

湖南大学出版社，2008.

[4]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[5]毛期俭，蒋维玉，罗一静，梁燕.数字电路与逻辑设计实验及应用[M].北京：

人民邮电出版社，2006.

本科生课程设计成绩评定表

姓名

胡健

性别

男

专业、班级

电信1004

课程设计题目：

电容测试仪

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日