简易电容测试仪.docx

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简易电容测试仪

简易电容测试仪

摘要

数字电容测量仪是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

现在常用的测量方法是电容表法和充放电法。

本设计使用两个555定时器，其中一个555定时器搭建成单稳态触发器，通过给端脚2一个负脉冲使定时器由单稳态进入暂稳态，从而在输出端输出一个高电平的单脉冲，通过计算这个单脉冲的宽度便可由公式算出电容值，另一个555定时器搭建成多谐振荡器，通过电容充放电产生固定周期的脉波，作为计数脉冲；将计数脉冲接到74161构成的4位计数器的低位的计数脉冲输入端进行计算，每个74161的四个输出端接到数码管进行显示，用置数法对74161赋初值；采用直流稳压为系统提供+5V电压。

设计中使用开关转换来达到3个大量程测量电容，能够测量1pF~1000PF，1n~1000nf，1u~1000uf的电容值；其中100pf~100u为所要求的测量量程，在这个量程范围内，可很精确地测量到电容值，误差范围为0~百分之一。

关键词555定时器，单稳态触发器，多谐振荡器，74161构成的计数器（小4号楷体）

技术要求

1、测试电容容量范围为100PF～100μF；

2应设计3个以上的测量量程；

3.用四位数码管显示测量结果

4.用红、绿、蓝色发光二极管表示单位。

一、系统综述

1.1、基本设计思路：

将需要测量的电容接到单稳态触发器的6和7引脚端，另一端接地，6和7引脚通过电阻值与电源正极相连，而通过改变该电阻的阻值可以获得到不同的量程，单稳态触发器产生的脉冲宽度为：

；把该脉冲接到多谐振荡器的REST端控制多谐振荡器的工作，通过多谐振荡器产生的计数脉冲对单稳态触发器产生的高电平单脉冲进行计数，（当取合适电容电阻参数时，便可使单稳态产生的单脉冲宽度内多谐振荡器产生的脉冲数等于电容数值，用不同颜色的LED灯便知道电容单位。

1.2、系统方案论证与选择：

方案一容抗法测量电容电路

其设计思想是首先利用一定频率（例为400Hz）的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C/VCA转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC/DC转换期取出平均值电压V0，送至31/2位或41/2位A/D转换器。

由于平均值电压V0∝Cx，只要适当调节电路参数，即可直读电容量。

优缺点：

容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。

但精度不高，分立元件太多

方案二利用充放电法测量电容

其设计思想是利用对被测电容进行充放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路。

其原理流程方框图1如下：

由555构成一个多谐振荡器。

在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。

由555构成的单稳态触发器外加一反向器作为控制计数脉波，将所计下的数送给74161计数，然后送给显示管显示。

综上所述，选择第二种方案进行设计。

1．3、总体设计框图：

（内容用小4号字宋体）

二、单元电路设计（内容用小4号字宋体）

1、单稳态触发器电路：

（小4号字宋体）

电路如图2.2所示，由555定时器组成的单稳触发器，它为下级多谐振荡器提供单脉冲，控制多谐振荡器的工作。

单稳触发器占空比为

为了使计数器在单稳触发器高电平时开始计数，应在单稳波形后加一级反相器。

由555组成的多谐振荡器的振荡周期为

为了便于计算，式中取

，则上式可化为

。

计数器在单稳触发器高电平时（经过反相器变换为低电平后）开始计多谐振荡器的周期数，满足下述关系式

即

若要显示器直接显示出

的值，则应该满足

，所以

2、多谐振荡器电路：

其产生的波形一方面用于计数，另一方面作为单稳态电路的输入。

电路如图4所示：

图4多谐振荡器电路

其工作原理如下：

图5多谐振荡器波形

多谐振荡器只有两个暂稳态。

假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于

，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2给电容C充电。

随着充电的进行UC逐渐增高，但只要

，输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。

当电容C上的电压UC略微超过

时（即U6和U2均大于等于

时），RS触发器置0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。

随着电容C放电，UC下降，但只要

，Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。

当UC下降到略微低于

时，RS触发器置1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。

其工作波形如图5所示。

3、74161构成的4位计数器电路：

4、数码管显示电路：

5、总电路图：

7、部分仿真结果与波形：

（1）当电容值为C=110pf时的波形和仿真结果如下：

（2）当电容值为C=360pf时仿真波形与结果如下：

（3）当电容值C=750pf时仿真波形与结果如下：

（4）当电容值为C=1000pf时仿真波形与结果如下：

（5）当电容值为C=430nf时仿真波形与结果如下：

8、部分仿真数据：

……

三、系统综述（内容用小4号字宋体）

结束语（内容用小4号字宋体）

参考文献

1、模拟电子技术（重庆大学出版社）主编林涛副主编黄知超，李姣军，王德嘉

2、数字电子技术

……

鸣谢（内容用小4号字宋体）

元器件明细表，附图（内容用小4号字宋体）

收获与体会，存在的问题等

（内容用小4号字宋体）

评语

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