电容测试仪.docx
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电容测试仪
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目：
电容测试仪
初始条件：
具备电子电路的基础知识和设计能力；具备查阅资料的基本方法；熟悉常用的电子器件；熟悉电子设计常用软件的使用；
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、设计电容数字测试电路；
2、测量电容范围：
100pf～1μf；
3、数码管显示电容值；
4、掌握数字电路的设计及调试方法；
5、撰写符合学校要求的课程设计说明书。
时间安排：
时间一周，其中2天原理设计，3天电路调试
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
1.引言1
2.设计思路分析2
3.电路结构设计3
3.1系统结构图3
3.2多谐振荡器电路的设计4
3.3单稳态门阀电路的设计5
3.4计数模块的设计6
3.5锁存模块的设计7
3.6译码电路的设计7
3.7单位显示模块的设计8
4.电路的仿真与调试9
4.1电路原理及仿真图9
4.2电路搭建完成实物图9
4.3电路实物调试10
5.设计成果评价12
6.有关设计感想13
附录一15
附录二16
1.引言
随着当今社会科技不断发展，人类的生产生活已经离不开电，电子产品随处可见，大到航空航天，小到一个小小的发光二极管，都凝聚着无数前人的智慧。
电阻、电容、电感是电工领域中最基本的物理量。
由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。
因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。
因为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，所以这次课程设计就是设计出一种结构简单、使用方便、工作可靠的电容测试仪。
在最后进行实物焊接之前用Protues软件进行仿真。
2.设计思路分析
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大小，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：
一部分是数码管显示，另一部分就是要将待测电容值进行转换。
利用555定时器分别构成多谐振荡器（标准频率信号产生模块）和单稳触发器（闸门信号产生模块），多谐振荡器的频率是固定的，而将未知大小的电容置于单稳触发器中，其触发态的时间为1.1RC，其中C即为被测电容大小，即单稳触发器的触发态维持时间与被测电容的大小成正比例线性关系，这样再通过要求的测量范围，计算出多谐振荡器一个合理的频率，使单稳的触发态维持时间与多谐振荡器的周期成一个线性关系，即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，将该计数脉冲送74LS390进行计数，这样在经过数码显示电路即可将电容值显示在数码管上。
开关控制量程的选择。
分别进行pf和uf的测量。
3.电路结构设计
3.1系统结构图
根据题目要求，电路主要利用单稳态门阀电路控制计数时间，对该计数时间内通过的多谐振荡器产生的脉冲进行统计，进而对待测电容进行间接测量，系统主要结构如图所示：
图1系统结构图
锁存器
被测电容
在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555单稳态触发器的输入端会不断地输入方波脉冲，由555单稳态的性质我们可以知道，当负脉冲到来时，单稳态触发器会输出为宽度为是Tw=1.1RC的正脉冲；
所以我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，无法确定单稳态负脉冲的到来，所以我们用了一个74LS273做成的锁存器。
当555单稳态输出负脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273的CP脉冲输出当前的数据；
3.2多谐振荡器电路的设计
图2多谐振荡电路
作用：
标准输入信号产生模块即以555定时器为主要组成部分而产生标准频率矩形脉冲的信号产生电路，产生的标准频率矩形脉冲将作为频率计数器的输入信号。
同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。
原理：
当接通电源Ucc后，电容上的初始电压为0V，比较器
、
输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过、向充电。
Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容通过到地放电，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，电容又开始充电。
如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。
电容上的充电时间T1和放电时间T2分别为：
T1=0.7（R
+R
），T2=0.7R
C
输出矩形波的周期为：
T=T1+T2=0.7（R
+2R
）C
振荡频率：
f=1/T=1.44/[（R
+2R
）C
]，占空比：
q=（R
+R
）/（R
+2R
）。
所以取电阻R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms
3.3单稳态门阀电路的设计
图3单脉冲门阀电路
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
3.4计数模块的设计
图4计数电路
74LS390是集成同步十进制计数器，将该计数器输出QA连到输入B计数，构成BCD（十进制计数），将三片74LS390串接计数使用。
每个计数器又有一个清除输入（高电平使能）和一个时钟输入。
将单稳态电路输出先经过一个反相器后接入这三片74LS390的清零端（2脚），同时将多谐振荡器矩形数脉冲输入U3:
B的CKA（1脚）。
当且仅当门阀电路处于暂稳态即输出为高电平时，计数模块才正常工作。
当暂稳态结束后门阀电路输出低电平，计数器清零端生效，执行清零操作，输出全为零。
3.5锁存模块的设计
图5锁存电路
锁存模块由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。
由74LS273的真值表可知当MR为高电平时，在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。
CLK输入和计数模块中的三片74LS390的清零端相接在一起。
当单稳态输出由高电平转换成低电平的瞬间，由于还有一个反向器的缘故，74LS273的CLK脚由低电平转换为高电平，出现一个上升沿信号，将计数模块清零的同时对计数值进行锁存，表示暂稳态结束。
3.6译码电路的设计
图6译码电路
将三片74LS247芯片的LT,RBI,BI/RBO都接高电平，功能就是将由锁存模块74LS273输出的四位BCD二进制表示的数进行译码，以驱动共阳的七段数码管显示值。
3.7单位显示模块的设计
图7单位显示电路
单位的显示与量程的选择一致，即当量程为0.01uf-1uf或1uf-100uf时，单位显示为UF，当量程为100pf-0.01uf时，单位显示为PF.，单位后的小数点亮表示被测电容值为显示的数值乘以100。
4.电路的仿真与调试
4.1电路原理及仿真图
如图所示为在protues软件下电路仿真图：
图8电路全图
4.2电路搭建完成实物图
图9实物图
4.3电路实物调试
在第一次上电测试时，发现十位上的数码管出现乱码的现象，我们马上关掉电源，每拿万用表对每个点都进行逐个排查，尤其是和这位数码管有关的芯片，最后终于找到原因所在，原来是锁存器和译码器之间有几根线接错位置造成了显示不准确的现象。
在测试电容的过程中，由于电路的影响，显示的电容值在某一个范围里不停的变动。
我们经过讨论，最终确定是多谐振荡器产生的脉冲频率过高，使得计数器74LS390在门阀电路在暂稳态的期间内计得的数据在上下波动，而且频率越高，波动越厉害。
为此，在多谐振荡器的C2电容两端并联了一个电容，加大输出波形的周期来降低输出脉冲的频率，同时为了不使测量结果发生变化，将该量程下的单稳态电路6、8间的电阻扩大至同样的倍数。
调试正常后我们随机选取电容进行测量，以下为几个为有代表性的图：
图10实测图一
图11实测图二
图12实测图三
5.设计成果评价
这次课程设计的电容测试仪完成了设计任务的基本要求，同时我们还增加了单位显示部分。
设计出来的电容检测仪具有性能可靠、精度高、操作简单，显示直观等特点。
不足之处在于当理论上被测电容值可以在100pf-100uf。
但是由于电路上某些不可避免的因素。
首先，没办法控制电容值和单稳态门阀电路的暂稳态时间处于严格的线性关系，测量误差较大。
其次，在暂稳态期间内74LS390对脉冲的计数与脉冲频率有很大的关系，频率太高会造成计数不准确，多谐振荡器输出脉冲频率太低又会影响对皮法级的测量。
再则，我们使用的元件精度不够，也会对实验结果有很大的影响。
最后，本次课程设计的电容测试仪可以达到100pf到4.2uf，达到并超过本次课程设计的要求，设计较为成功。
6.有关设计感想
在这次课程设计之后，我对书本上的知识有了更加深刻的了解，从开始的丈二摸不着头脑到后来思路的逐渐形成，期间我们小组经过了许多次激烈的讨论，不断上网搜寻各种相关的资料和请教别的同学，最终定下这个方案。
经过这些天，小组成员们的一起努力，最终完成这个课程设计，总的来说，学到了许多书本上没有的知识，更重要的学到了处理问题的方式方法。
面对摆在眼前的问题，学会去收集资料，并对它们进行归纳整理，一步一步的去克服。
可以说这对我们将来出去工作有着重要的影响。
同时，这次设计加强了我们独立思考的能力。
一个好的设计需要通过我们不断的思维，不断的改善。
经过设计之后，我们不像以前那样，遇到问题都不愿意独立思考，只会一味的向别人求助。
现在，我们会通过自己的思考，解决我们自己遇到的问题和困难。
还有，我们学会不能手高眼低，要踏踏实实，从基础学起、做起。
于是通过学习电路知识做出了满足要求并且可以测量电容的实物。
虽然花了大量的时间在此次课程设计上，但我相信，付出和收获总是成正比的，只要敢于去尝试，前方就是希望。
在这不长的时间里我感觉自己学到了许多课本之外的知识，让我学会了什么是团队合作，体会了团队精神，让我懂得了怎么表达自己并且去和别人沟通，同时也将书本上的理论和实际相结合，提高了动手能力，增强了对知识的理解。
参考文献
[1]金唯香，谢玉梅．电子测试技术[M].长沙：
湖南大学出版社，2008.
[2]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：
高等教育出版社，2006：
103—117.
[3]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.
[4]李良荣.EWB电子设计技术[M].北京：
机械工业出版社,2007.
[5]李国丽.电子技术实验指导书[M].合肥:
中国科技大学出版社,2005.
附录一
元器件清单
元器件名称
大小
数量
555芯片
2片
74LS390
3片
74LS247
5片
74LS273
2片
74LS04
2片
74LS02
1片
数码管
5个
电容
0.1uF
2个
电容
0.4uF
1个
电容
0.01uF
1个
电阻
4.7K
1个
电阻
12K
1个
电阻
9K
1个
电阻
180K
1个
电阻
18M
1个
双刀双掷开关
2个
三刀三掷开关
1个
附录二
74LS390管脚图
74LS390管脚图
74LS390真值表
NE555管脚图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
电容测试仪
课程设计答辩或质疑记录：
1.实物焊接与调试过程中出现什么问题？
答：
数码管全不亮------应该用5611BH（共阳）而不是5611AH（共阴）；
数码管显示乱码------74LS247译码器接线失误；
电容实测值偏小------计数脉冲频率偏低，适当提高电阻的值；
测量时显示不稳定------计数频率偏高，降低电阻和电容的值；
2.芯片选择的依据是什么？
答：
根据设计原理。
为了方便计数，选择一块可以进行十进制计数的芯片很有必要，所以选择了常见的可以构成二五十进制的74LS390。
由于计数是一直在进行的，所以我们需要对计数值进行锁存，所以我们选择了上升沿锁存器74LS273。
为了让计得的8421BCD码在数码管上显示，于是就采用译码器74LS247和共阳数码管5611BH搭配。
成绩评定依据：
评定项目
评分成绩
1．选题合理、目的明确（10分）
2．设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3．设计结果（例如：
硬件成果、软件程序）（20分）
4．态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6．答辩（25分）
总分
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
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