利用Multisim计划电容测量电路.docx

1、利用Multisim计划电容测量电路.一、概述随着科学技术的不断开展， 人类社会进入高科技时代， 而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛， 大至航空航天技术， 小到 、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、 电阻等元器件组成。 特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少， 测量电容的大小的方法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。目前应用比拟普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于 NE555 的RC 充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于 NE555 的 RC 冲

2、放电原理。用2 片 NE555 芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度， 在这个脉冲宽度的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、 锁存后用数码管显示出来。 因此可以直接计算出待测电容的大小，并且到达精确度比拟高 10%、测量数值较为稳定，量程可控制 20uF的要求，而且所设计的电路比拟简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等局部组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。二、方案论证本设计方案采用的是基于 NE555 的 RC 充

3、放电原理的脉冲宽度测量法， 本设计的主要由测量电路、 计数锁存电路和显示电路三局部构成。 测量电路核心就是由 2 片 555 定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3 片74LS160 构成的计数器和 2 片 74LS273 构成的锁存器组成，显示电路由 3 片部自带译码器的数码显示管 DCD_HEX组成。脉冲宽度测量法的系统功能框图如图 1 所示，利用单稳态触发器在待测电容C2 上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度 Tw ，再将单稳态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门， 与门的输出信号中脉冲宽度 Tw 的脉冲个数 N 通过 3 片十进制计数

4、器计数后输入到 2 片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管， 数码显示管所显示的数值就是脉冲个数 N 。由于初始相位不定和传输的时间差等原因，第一个显示的数字并不是准确的脉冲个数 N ，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。由于本方案大多采用的是数字元器件， 因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件， 只要外界存在有一定强度的干扰信号， 就会使测量结果发生较大的改变。 不仅如此， 外界的温度也会对模拟元器件产生很大的影响， 而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。 采.用本方案的设计电路那么可以大大的减少上述条件对电路测量的影响， 从而提高测

5、量准确度，适用于大多数环境。图 1 系统功能框图本设计由于是采用计数器直接计数，经锁存器锁存后输入数码管进行显示，省去了信号直接的转换，使相对误差减小。三、电路设计电路设计包括了两大局部，总电路图见附录 I。考虑到实际生活中的需要，因此设计了能将日常生活用电转换成 5V 的直流电，转换电路图如图 2。4042U13LM7805KC38 LINEVREGT12 D5VOLTAGE43COMMONV1C5220 Vpk41C650 Hz100uF100uF0 NLT_PQ_4_104131B4B42390图 2 5V 直流电流源这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后，输出的电压为稳

6、定的 5V 直流电，将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。.第二大局部又分为三个小局部， 分别是测量电路局部、 计数锁存电路局部以及显示电路局部。首先是测量电路局部，电路图如图 3 所示，此局部由 2 片 555 定时器连成的单稳态VCC触发器和多5V谐振 荡 器R1VCC8U1组，上 面 的U4555VCC连 接 锁 存1.94k 4RSTOUT3定时器为器 的 CLK 端单7DIS稳态触发36NOT器，THRC22TRI下面的为15多CON8连 接 计 数谐 振 荡1uFC1器。GND器 清 零 端1多谐振荡U3A器 31uF0LM555CN连 接 计 数 器端输出的的 CLK

7、输 入 端单位脉冲信8 U2774AS08N号R2作为单稳VCC态300 4RSTOUT37触发器 24DIS端R36的输入信THR号。230k TRI图 中 C22 5CON为5待 测 电C3GND容，C41接入到单10nFLM555CN稳态触发器6中。由于电容的充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。.图 3 测量电路单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽 Tw 计算公式如下：Tw R1C2 ln 3当R 值固定时， Tw 与 C2 的

8、大小成正比。 C2 越大，在 Tw 时间通过与门的脉冲数 N 就越多，数码管所显示的数字就越大。多谐振荡器的振荡周期 T 的计算公式如下：T (R2 2R3 )C4 ln 2考虑到设计要求中量程为20uF,令 C4 为。单稳态触发器 3 端输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足：R1C2 ln 3 N ( R2 2R3 )C 4 ln 2经过整理得：C2 N (R2 2R3 )C4 ln 2 / R1 ln 3适当的选取 R1 、 R2 和 R3 的值，使 (R2 2R3 )C4 ln 2 / ln 3 1 ，那么数码管所显示的数值 N 为 C2 与 C4 的比值。这样我们就可以直接

9、计算出 C2 的大小了。例如，当待测电容 C2 为 1uF 时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图 4 所示。.图 4 待测电容为 1uF 时各输出信号波形上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、 非门输出信号、 多谐振荡器输出信号、与门输出信号。其次是计数锁存电路局部，本局部电路图如图5 所示。接 数 码 管接 数 码 管25262728119 65296 521 1 1 1 9 6 5 21 1 11 9 6 5 2Q Q Q Q Q Q Q QQ Q Q Q Q Q Q Q接 电 源8 7 6 5 4 3 2 1U38 7 6 5 4 3 2 1U

10、7接 非 门K L74LS273NK L74LS273NLRLR输 出 端C D D D D D D D DC D D D D D D D DC 8 7 6 5 4 3 2 1C 8 7 6 5 4 3 2 118 743187 431 11 1 1 1 8 7 4 31 11 1 11 8 7 4 3接 单 稳 态3123输 出 端4571920212236接 与 门218输 出 端4 3 2 154 3 2 154 3 2 151 1 1 111 1 1 111 1 1 11A B C D OA B C D OA B C D OQ Q Q Q CQ Q Q Q CQ Q Q Q CRU1R

11、U2RU674LS160ND74LS160ND74LS160NDA RKA RKA RKP T O LP T O LP T O LLLLN N L CCN N L CCN N L CCA B C D E E A B C D E E A B C D E E 3 4 5 609 123 4 5 609 123 4 5 609 127 17 17 1309102429.图 5 计数锁存电路计数器74LS160N 是一个同步十进制加法计数器，上升沿有效。其管脚图如图 6 所示。43215111111UA B C DOQ Q Q QCRDKP TA RO LLA B C DN NL CCE E 3 4

12、5 609 127 1N061SL47图6 74LS160N 管脚图其中 A、B、C、D 端接地， QA QD 为输出端连接锁存器的输入端， RCO 为进位输出端， ENP、ENT 为计数控制端， LOAD 为同步并行置入端， CLR 为异步清零端， CLK为时钟信号输入端。其功能真值表如表 1 所示，计数器的状态转换表如表 2 所示。表1 74LS160 功能真值表CLKCLRLOADENPENT工作状态0清零10预置数1101保持110保持1111计数表2 74LS160 状态转换表计数顺序 电 路 状 态 等效十进 进位输出.QAQBQCQD制数000000010001102001020

13、300113040100405010150601106070111708100080910019010101001多谐振荡器和单稳态触发器产生的信号经过与门后，作为计数器的时钟信号，而单稳态触发器的输出信号作为计数器的清零信号。计数控制端都接高位，由图 4 可知单稳态触发器输出信号处于高电平， 计数器开始计数。 经过一个脉冲宽度后清零端输入为低电平， 计数器清零。当单稳态触发器输出信号重新为高电平时，计数器又从 0 开始计数，以此一直循环。 因此计数器输出的数值为一个固定的值。本设计方案中，由于量程为 20uF,因此要计数的数值将达上百，因此用3 片 74LS160N 连成计数可以从 0 到

14、999 的电路。将第一片的进位输出端连接到第二片的计数控制端， 而第二片的进位输出端连接到第三片的计数控制端以达到设计要求。锁存器 74LS273 是一个 8 位数据 / 地址锁存器，其是一种带去除功能的 8D 触发器，管脚图如图 7 所示。2 5 6 92 5 6 9 1 1 1 1Q Q Q Q Q Q Q Q1 2 3 4 5 6 7 81UR KD D D D D D D DLLC C1 2 3 4 5 6 783 4347 8117 8 111 11N372SL47.图 7 74LS273N 管脚图功能表如表 3 所示。表 374LS237 功能表输入输出CLRCLKDQ001111

15、0010保持前态其中 D1 D8 为输入端，连接计数器； Q1 Q8 为输出端，连接数码管； CLR 为主去除端， 低电平触发， 即当输入为低电平是， 芯片被去除，输出全为 0；CLK为锁存控制端，上升沿触发，即当 CLK 输入信号从低电平到高电平时，数据通过芯片，当输入信号为低电平时，数据将被锁存，不管输入端 D1D8 数据如何改变，输出端 Q1 Q8 数据不变，从而到达锁存功能。因此 CLR 接高电平，使锁存器一直处于工作状态， 单稳态触发器的输出信号通过非门后的输出信号作为锁存器的锁存信号， 其目的是在计数器在一个脉冲宽度时间计数后， 清零之前将数据进行锁存，以此到达显示的数字呈稳定状态

16、。最后的显示电路由 3 片自带译码器的数码显示管组成， 其管脚图如图 8 所示。U1DCD_HEX.图8 数码显示管用3 片数码显示管分别显示个位、 十位和百位的数值。 数码管显示的数值是经过计数器的计数， 锁存器锁存后的数值。 由于单稳态触发器输出信号的脉冲宽度固定且多谐振荡器输出信号的频率不变， 因锁存器锁存的数一直为固定值， 固数码显示管显示的数不变。四、性能测试首先是对 5V 电流源电路进行测试，测试电路如图 9 所示，仿真数据如图 10 所示，其测试数据如表 4 所示。XMM1 XSC1GTA B C DU115LM7805KCLINEVREGT12D5VOLTAGE4COMMONV

17、1C3220 Vpk4150 Hz100uF0 NLT_PQ_4_10231B4B4238探针 2, 探针 1C2 V:V(峰 -峰 ):V(有效值 ):100uFV(直流 ):I:1I( 峰- 峰): I( 有效值 ): I( 直流 ):频率 :图 9 电源测试电路.图 105V电压源输出波形图表 45V电压源测试数据表频率 HZ阻值 M电压 V103其次是对总电路分别用 2uF、 4uF、6uF、8uF、 10uF、12uF、14uF、16uF、18uF 和 20uF 电容作为待测电容进行测试， 选其中 3 个电容进行测试，结果如下，相对误差的计算公式为：相对误差 = | 测试值 - 真实

18、值 |/真实值。测试电容为 2uF 时显示的数值如图 11 所示，各输出波形如图 12 所示。.图 11 测试电容为 2uF 时显示的数值图 12 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试结果为 ，相对误差为 10%，符合设计要求。测试电容为 8uF 时显示的数值如图 13 所示，其个输出波形如图 14 所示。.图 13 测试电容为 8uF 时显示的数值图 14 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试结果为 ，相对误差为 5%，符合设计要求。测试电容为 20uF 时显示的数值如图 15 所示，各输出波形如图 16 所示。.图 12

19、测试电容为 20uF 时显示的数值图 16 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试的结果为 ，相对误差为 1%，符合设计要求。将上述 3 个测试结果和其它7 个数据记入下表：表 5 所有测试数据待测电容 uF实际测量 uF相对误差210%45%63.3%85%104%123.3%142.8%.162.5%182.2%201%五、结论当待测电容接入电路后，在 2 秒左右即可显示出数值。而且当电容取 0.2uF 到 20uF 时，数码管显示的数值应该是 000 到 100 中的一个值。相对误差是一直存在的，防止不了， 因为数据的传输以及器件的反响都需要消耗一定的时间

20、。 本方案所设计的电路缺乏之处就是测量的结果产生的相对误差虽然在设计要求围之，但是相对误差的变化较大， 一局部是器件本身和数据传输的原因， 另一局部应该是多谐振荡器与单稳态触发器没有选用一组适宜的电阻值。有时候待测电容为某个特定的值时， 产生了比拟大的误差， 这个误差产生的原因应该是元器件之间产生了某种影响。 还有一个现象就是在单稳态触发器输出的一个脉冲宽度单位脉冲个数比数码管显示的个数多一， 这个现象应该是由于锁存时间过早造成的， 理论上只要接入延时电路， 而且这个延时的时间长度应该控制在一个比拟小的围， 否那么会造成更大的误差。 不过总的来说已经到达了设计要求。六、性价比本设计采用的 555 定时器、 74LS160、74LS273、与门、非门和数码显示管组成，测量精度到达，量程可以从 0.2uF 到。测量的数值可以直接用数码显示管显示出来， 直观而且稳定电路根本上由数字元件组成， 因此对于外界环境存在的影响抵抗能力比拟大，因此性能较用容抗测量法完善。由于科技的开展， 市场上各种中规模集成芯片售价也较为低廉， 而且质量可以得到保障。价格方