电容计的设计.docx
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电容计的设计
电容计的设计
摘要：
本次设计采用NE555集成定时器构成多谐振荡器，单稳态触发器等电路来实现。
由NE555构成的单稳态触发器的输出高电压时间。
这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可达0.1％。
当Ｒ固定时，改变Ｃ的大小，可以改变的脉宽，这样通过计数器40110在时间内对脉冲的计数就可以调为电容的大小，测得电容值。
再由LED显示器显示电容大小。
。
关键词：
NE555触发器CD40110计数器LED显示
引言………………………………………………………………………………………………4
第一章电路设计要求……………………………………………………………………………5
第二章设计思路…………………………………………………………………………………6
第三章电容计系统方框图………………………………………………………………………6
第四章设计原理图………………………………………………………………………………7
第五章电路工作原理……………………………………………………………………………8
第六章各电路的分析………………………………………………………………………….9
第七章电路制作与元件介绍…………………………………………………………………11
第八章安装电路过程…………………………………………………………………………12
第九章调试电路………………………………………………………………………………12
第十章电容计的PCB装配图…………………………………………………………………13
致谢……………………………………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………………………………15
附录……………………………………………………………………………………………15
引言
引言：
电容器（capacitor）简称电容，也是组成电子电路的主要元件。
它可以储存电能，具有充电、放电及通交流、隔直流的特性。
从某种意义上说，电容器有点像电池。
尽管两者的工作方式截然不同，但它们都能存储电能。
电池有两个电极,在电池内部，化学反应使一个电极产生电子，另一个电极吸收电子。
而电容器则要简单得多，它不能产生电子——它只是存储电子。
它是各类电子设备大量使用的不可缺少的基本元件之一。
各种电容器在电路中能起不同的作用，如耦合和隔直流、旁路、整流滤波、高频滤波、调谐、储能和分频等。
电容器应根据电路中电压、频率、信号波形、交直流成分和温湿度条件来加以选用。
电容的主要作用有；
1隔直流：
阻止直流通过而让交流通过。
2旁路（去耦）：
为交流电路中某些并联的元件提供阻抗通路。
3耦合：
作用两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。
4滤波：
这个对DIY而言很重要，点卡上的电容基本就是这个作用。
5整流：
在约定的时间开或关导体开关元件。
6储能：
储存电能，用于必须要的时候释放，例如照相机的闪光灯还有手机，一个电容储存的电能可以让手机用一天。
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影响。
本课题就是用数字显示的方式对电容进行测量。
电容测量的基本原理是：
把电容通过电路转换成电压量，然后把电压量经过模数转换成为数字量进行显示。
第一章电路设计要求
一.设计任务及要求
1．基本要求：
1）测量范围：
电容容量0.1～10uF，误差不大于10％。
2）采用数字显示被测电容容量。
3）超量程时声光提示。
2．发挥部分：
1）误差不大于1％。
2）扩大测量范围。
3）量程自动转换。
二.设计方案
2.方案：
利用555构成的单稳态触发电路中不同的RC参数，产生不同的正脉冲宽度这一基本原理。
我们用该正脉冲来控制多谐振荡电路的工作时间，不同的工作时间产生的脉冲个数自然不同，再将其输出脉冲信号送计数、显示电路，这样就可以测出对应的电容值C。
并采用继电器来实现量程的自动转换。
电路器件都较为常见，电路结构较为简单，价格比较便宜。
系统方框图如图3：
此方案采用较为简单的电路组合实现的，符合性价比这一规律的要求。
元器件比较便宜，而且测得比较准确。
另外还有其他的方法：
电桥法、阻抗－相位法。
用电桥法，硬件电路复杂，不易实现自动测量；采用的阻抗—相角法，需要测量的物理量较多，测量范围窄，精度低，而且需要用到价格较贵单片机；也需要用到单片机。
第二章设计思路
采用NE555集成定时器构成多谐振荡器，单稳态触发器等电路来实现。
由NE555构成的单稳态触发器的输出高电压的时间为：
tw=RCln2≈1.1RC。
这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可达0.1％。
当Ｒ固定时，改变Ｃ的大小，可以改变tw的脉宽，这样通过计数器40110在tw时间内对脉冲的计数就可以调为电容的大小，测得电容值。
再由LED显示器显示电容大小。
第三章电容计设计方框图
第四章设计原理图
原件清单：
3个NE555集成块、3个CD40110集成块、3个LED数码管。
3个0.1uf电容、1个100uf电容、1个10uf电容。
3个330欧、120欧、2个10K、4.7K、430K、43K、4.3K、3K、33欧、电阻
可调电阻500K、100K、2个10K、1K。
2个二极管（DIODE）。
1个发光二极管、1个蜂鸣器、1个
2个按键开关。
1个单刀四掷开关。
第五章电路工作原理
基本原理：
电容的测量和数字显示有多种设计的方法，可由NE555集成定时器构成多谐振荡器，单稳态触发器等电路来实现。
由NE555构成的单稳态触发器的输出高电压的时间为：
tw=RCln2≈1.1RC。
这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可达0.1％。
当Ｒ固定时，改变Ｃ的大小，可以改变tw的脉宽，这样通过计数器40110在tw时间内对脉冲的计数就可以调为电容的大小，测得电容值。
再由LED显示器显示电容大小。
各部分具体工作：
1）.单稳态触发器（555）
单稳态触发器在由输入端电平转换时，会产生一稳态的脉冲，电路输出电压的脉宽与电容成正比，将此脉冲作为闸门时间脉冲。
2）.标准频率时钟电路
电路产生标准频率时钟脉冲，与单稳态脉冲相与构成计数脉冲，该电路输出的频率必须稳定，才能使系统更稳定，测量更精确。
3）.脉冲合成电路
其功能是将标准频率时钟脉冲和闸门时间脉冲相与合成。
4）.计数，锁存，译码电路
在闸门时间内对标准脉冲计数，锁存，得到相应的电容数据。
5）.显示器
将电容量的数据数字化显示。
6）.报警部分
完成对系统测量电容时，电容超过量程产生声光报警。
7）.量程转换
可以对不同电容值进行测量。
第六章各电路的分析
一.电路的具体设计
1．单稳态触发器可由多种方式来实现，例如由门电路构成的单稳态触发器，其图设计虽然简单，但在稳态性和精度上给予系统保证，本电路采用由NE555和R，Cx构成的但稳态触发器，这个电路产生的脉宽可以从几微秒到数分钟，稳定性好，精度可达0左右，其中
假如Cx增大时，
也增大，但是
决定了系统的测量速度，在选定R=470K时，由Cx=10Uf,
＝5.2s，那么系统的反应时间显得过长，在该设计中，将
的控制在0.5s左右是适宜的，
2．量程的切换
量程的切换采用手动，其目的在于使得对应于不通的电容值
都在0.5s左右，
Cx（uF）
0.1—1uf
1u—10uF
10u—100uF
100u—1000uF
R（Ω）
S1档
S2档
S3档
S4档
通过改变电阻值R，实现量程的转换。
3．标准频率脉冲电路
产生脉冲的电路可以分石英晶体振荡器，门电路构成的振荡器和由NE555的振荡器。
其中石英晶体振荡器产生的频率稳定，但震荡周期固定不可调；门电路振荡器结构简单，但周期不稳定而且精度也不高；本设计采用NE555构成的振荡器，占空比可调，频率稳定电路图如下
（1），通过调整电位器R2可以改变脉冲的占空比，由公式Q％＝（R2上＋R1）/（R1+R2+R3）%可以算出当％Q=50%时，R2上＋R1＝R2下＋R3，其振荡频率F＝1.43/（R1+R2+R3）C，在给定F和C时即可算出阻值。
4．计数，锁存，译码显示
CD40110是一个集计计数器，译码，锁存和驱动为一体的芯片，而且还是一个十进制加减计数器，显示系统如下图
（2）所示，其中5脚为复位端，10脚为进位端，当计数器产生溢出时，10脚会输出一个脉冲，9脚为加法输入端，CD40110驱动的是共阴数码管，把10脚和9脚相连，可组成多级计数器，图为3级计数器，IC1,IC2,IC3分别为百位，十位个位。
5.声光报警
在超出量程范围时，切换合适的量程，声光提示大约为3秒，电路
由NE555单稳态触发电路，构成报警电路。
图（3）
由
＝1.1R1C1
3.3s,引脚输出，驱动蜂鸣器发出声响，使发光二极管发光。
第七章电路制作与元件介绍
555定时器的应用：
555定时器
（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
如上图，
振荡周期：
T=0.7（R1+2R2）C
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、
自动控制电路等。
CD40110的应用：
40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计算状态锁存，七段显示译码输出功能。
40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别作用加计数时钟输入和减计数时种输入。
由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以任意状态。
40110的进位输出CO和错位输出B0一般为高电平，当计数器从0~9时，BO输出付脉冲；从9~0是CO输出付脉冲。
在多片级联时，只需要将CO和BO分别接至下级的40110的CPU和CPD端，就可以组成多位计数器。
第八章安装电路过程
8.1安装步骤
1.根据电路图列出所需的元件清单
2.焊接电路各个部分。
3.安装完毕后检查一下电路是否有短接或是漏焊。
8.2注意事项
1.焊接过程避免管脚之间的短路、元件的正负级插反。
2.在安插芯片过程中要注意管脚是否安装错。
第九章调试电路
9.1调试步骤
1.用万用表检查电路是否短路或是断路存在
2.用万用表检测七段数码管是否正常。
3.检测各芯片供电是否正常。
4.检测继电器是能正常变换值。
9.2调试各部分电路的数据
1.
2
3
4
9.3调试结果
第十章电容计的PCB装配图
参考文献
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高等教育出版社，2000
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[11]《555时基电路原理、设计与应用》.陈有卿，叶桂娟编著.[M].北京:
电子工业出版社，2007
附录
CD40110:
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