电容测试仪课程设计报告1教材.docx
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电容测试仪课程设计报告1教材
目录
Ø摘要………………………………………………………………………………1
Ø设计要求…………………………………………………………………………1
Ø第一章 系统概述………………………………………………………………2
1、总体方案的选择及可行性分析…………………………………………………2
2、方案论证…………………………………………………………………………3
Ø第二章单元电路设计分析……………………………………………………4
1、555定时器………………………………………………………………………4
2、用555定时器构成的单稳态触发器………………………………………………5
3、用555定时器构成的多谐振荡器…………………………………………………6
4、占空比可调的多谐振荡器电路…………………………………………………7
5、同步十进制计数器74LS160………………………………………………………8
6、4位集成寄存器74LS175…………………………………………………………8
7、LED数码管…………………………………………………………………………9
Ø第三章 电路总体描述及功能实现…………………………………………10
1、总电路图…………………………………………………………………………10
2、参数选择及仪表调试……………………………………………………………11
3、产品使用说明……………………………………………………………………12
4、安装与调试………………………………………………………………………12
Ø第四章 结束语………………………………………………………………13
1、总结………………………………………………………………………………13
2、收获与体会………………………………………………………………………13
Ø参考文献………………………………………………………………………14
Ø附录……………………………………………………………………………14
Ø附录一元器件表………………………………………………………………14
Ø附录二鸣谢……………………………………………………………………15
Ø评语……………………………………………………………………………16
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100μF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，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=RC㏑3≈1.1RC。
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：
Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）]=Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]
（图1）
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。
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。
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C1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C1和下比较器C2，它们分别提供2Vcc／3和Vcc／3的偏置电压。
（图3）
（图4）
555定时器的工作原理是：
当输入电压Ui6＜2Vcc／3，Ui2＜Vcc／3时，电压比较器C1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C1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C1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U0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
Rd
Ui6
Ui2
U0
T的工作状态
0
×
×
0
导通
1
＜2Vcc／3
＜Vcc／3
1
截止
1
＜2Vcc／3
＞Vcc／3
不变
不变
1
＞2Vcc／3
＞Vcc／3
0
导通
（表1）
由上表可知：
（1）．当输入电压Ui6＜2Vcc／3时，Ui2从＜Vcc／3变化到＞Vcc／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Ui6＜2Vcc／3，Ui2＜Vcc／3时的输出状态，输出电压U0等于1。
（2）.当输入电压Ui2＞Vcc／3时，Ui6从＞2Vcc／3变化到＜2Vcc／3时，电压比较器C2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器C2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Ui6＞2Vcc／3，Ui2＞Vcc／3时的输出状态，输出电压U0等于0。
（3）.当输入电压Ui6＞2Vcc／3，Ui2＞Vcc／3时，电压比较器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U0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
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，比较器C1和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2Vcc／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Vcc／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，Uc将在Vcc／3和2Vcc／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=（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
振荡频率f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]
占空比q=（R1+R2）／（R1+2R2）＞50％
如果R1＞＞R2，则q≈1，Uc近似为锯齿波。
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τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1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，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τ1=R1C，放电时间常数τ2=R2C。
通过与上面相同的分析计算过程可得：
T1=0.7R1CT2=0.7R2C
占空比为：
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。
EP
ET
CP
功能
0
×
×
×
×
清零
1
0
×
×
↑
置数
1
1
1
1
↑
计数
1
1
0
×
×
保持
1
1
×
0
×
保持
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（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电路的置位端，在滿足条件时，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——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:
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
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1.1RCｘ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*0.11ms／（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.2006
2.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.2002
4.陈明义.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社.2002
5.崔瑞雪．电子技术动手实践．北京航空航天大学出版社．2007
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