數(shù)電課程設計電容測試儀報告書

1、一、摘要 電容器在電子線路中得到廣泛的應用，它的容量大小對電路的性能有重要的影響，此次我的課程設計就是用數(shù)字顯示方式對電容進行測量。 數(shù)字化測量儀器較模擬儀器具有使用方便，測量精確等優(yōu)點。本次課程設計是針對數(shù)字式電阻測試儀的設計，介紹了數(shù)字式電阻測試儀的設計方案及其基本原理，并著重介紹了數(shù)字式電容測試儀各單元電路的設計思路，原理及整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。大多數(shù)電容可以用萬用表電阻檔測量其充放電情況，以判斷其好壞和估測其大小。但是對于容量較小的電容，其充放電電流很小，萬用表表針幾乎看不出擺動，所以無法檢測。小容量電容表可以解決這個問題。電路采用了兩個555時基電路，分別構成時鐘

2、電路和測量電路，構成級數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路，顯示電容的值。555構成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由被測電容控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時間，進而控制計數(shù)時間。二、設計思路 本設計中用555振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計數(shù)器的CP脈沖也就 是標準頻率。同時把待測電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比。用這個寬度的矩形脈沖作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，合理處理計數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計數(shù)器的計數(shù)值即為被測電容值?；蛘甙汛嗣}沖作為閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送計數(shù)鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋鈕控制量程的選擇，用

3、計數(shù)器控制電路控制總量程。想要實現(xiàn)待測電容的數(shù)字式測量，最主要的是將待測電容相關的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。我們利用的是555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)這點。知道555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，最關鍵的就是將待測電阻容值的模擬信號以何種方式輸入到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中。根據(jù)測量原理的不同，其輸入方法有很多，如直接法、電橋法和充放電法。各種辦法都有相應的優(yōu)缺點，例如充放電法及直接法均需求得被測樣兩端的電壓與通過被測樣的電流，利用歐姆定律從而得出被測的電容， 電橋法則是利用電橋兩端電位的平衡來得出被測樣的電容。其中利用直接法測得的電容（如“ 搖表”）存在讀數(shù)不精確等明顯的人為因素憂，在讀數(shù)較大的情況下尤其

4、如此；利用充放電法測得的電容值偏大；而利用電橋法測量，則存在電橋調(diào)節(jié)費時費力等不利因素。下面列出兩種方案進行分析：方案一：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯 示?？捎?55集成定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RC31.1RC。從式中可以看出，當固定時，改變電容C則輸出脈寬tw跟著改變，由tw的寬度就可以求出電容的 大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓Vo取平均值，由于電容量的不同，tw的寬度也不同，則Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到電容C的大小。如果把平均值送到A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但

5、是我們對A/D轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分，設計有一些困難。 方案二：用阻抗法測R、L、C有兩種實現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測元件電壓；永恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。方案三：像測量R一樣，測量電容C的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖2.1所示。只是電容C要用交流電橋測量。電橋的平衡條件是： Z1*Zn*expj（1+n） =Z2*Zx*expj（2+x） 圖2.1 電橋電路通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可求出被測電容。用這種方法測量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡也難以用簡單電路實

6、現(xiàn)。這樣，電橋法不易實現(xiàn)自動測量。方案四：應用基本思想：把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計數(shù)器計數(shù)，技術后再運算求出C的值，并送出顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計的知識，把此脈沖作閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送至計數(shù)鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可得到電容量的數(shù)據(jù)。其實，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，頻率f是數(shù)字電路很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。因此本設計我們采用此方案。三、原理

7、說明 3.1 系統(tǒng)原理說明 系統(tǒng)總體框圖如圖所示： 74160N 計數(shù)器555 單脈沖產(chǎn)生電路 譯碼、驅(qū)動、顯示555 多頻振蕩器工作原理：555單脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖和555多頻振蕩器產(chǎn)生的脈沖相與后74160N計數(shù)器計數(shù)后，再經(jīng)過譯碼、驅(qū)動后，通過數(shù)碼管顯示出脈沖個數(shù)。基本原理是將電容值轉(zhuǎn)化為頻率，然后測量出轉(zhuǎn)化后的頻率，最后根據(jù)一定的關系即可得出待測電阻阻值，設計過程中，設置好相應元件的參數(shù)，使數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字即為待測電容值。3.2 各部分電路原理說明3.2.1 單穩(wěn)態(tài)電路 用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形如圖3.2所示，其工作原理如下：接通電源瞬間，Vc=0，輸出Vo

8、=1，放電三極管T截止。Vcc通過R給C充電。當Vc上升到2Vcc3時，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時基本RS觸發(fā)器置0，輸出Vo=0.同時放電三極管T導通，電容C放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時Vi=1.當輸入負脈沖時，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使Vo=1，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于Vo=1，三極管T截止，電源Vcc可通過R給C充電。當電容C充電至Vc=2Vcc3時電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出Vo=0，T導通，電容C放電，電路自動恢復至穩(wěn)態(tài)?？梢姡瑫悍€(wěn)態(tài)時間由RC電路參數(shù)決定。若忽略T的飽和壓降，則電容C上電壓從0V上升到2Vcc3的時間，即輸出脈沖寬度tw為： tw=RC31.1RC 3.2.2 多諧振蕩器電路電路圖如

9、下圖所示，其工作原理如下：當接通電源Ucc后，電容C上的初始電壓為0V，比較器C1、C2輸出為1和0，使Uo=1，放電管T截止，電源通過R1、R2向C充電。Uc上升至2Ucc/3時，RS觸發(fā)器被復位，使Uo=0，T導通，電容C通過R2到地放電，Uc開始下降，當Uc降到Ucc/3時，輸出Uo又翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容C又開始充電。如此周而復始，就可在3腳輸出矩形波信號。由圖所示，可以求得電容C1上的充電時間T1和放電時間T2 ： T1=（R1+R2）C20.7（R1+R2）CT2=R2C20.7R2C所以輸出波形的周期為T=T1+T2=（R1+2R2）C20.7（R1+2R2）CR1=4

10、.7k，R2=12k，T2ms振蕩頻率 f=1T1.44（R1+2R2）C500Hz占空比 q= （R1+R2）（R1+2R2）58.2 3.2.3 計數(shù)部分74LS160是集成同步十進制計數(shù)器，該計數(shù)器具有同步預置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。其管腳圖如下所示： 設計中74LS160的連接圖如下3.2.4鎖存器部分由74LS273構成的鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存。74LS273工作原理是：MR為高電平，當CLK輸入為上升沿時對輸入信號進行鎖存，鎖存后輸出不再隨輸入信號變動，直至下一個上升沿到來。這里的CLK輸入由單穩(wěn)態(tài)輸出接反相器得到。當單穩(wěn)態(tài)輸出為低電平時，

11、表示定時結(jié)束，同時鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存。以正確顯示電容值。74LS273的管腳功能介紹如下：74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作數(shù)據(jù)鎖存器,地址鎖存器。(1)腳是復位CLR,低電平有效,當1腳是低電平時,輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復位;(2)當1腳為高電平時,11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當11腳有一個上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在

12、在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.74LS273的管腳圖如下所示 鎖存電路如下：3.2.5 譯碼及數(shù)碼顯示部分74LS248芯片的功能即將四位二進制表示的數(shù)進行譯碼，以驅(qū)動共陰的七段數(shù)碼管顯示其值。因為譯碼電路用的是74LS248，所以這里選用八段共陰數(shù)碼，電路圖如下：四、參數(shù)計算 因為測試電容的原理是:閘門信號Tw=1.1RCx，而振蕩器輸出周期為T=0.7（R1+2R2）C的基準脈沖，我們設置電路使0.7（R1+2R2）C*N=1.1RCx，因為要用顯示數(shù)值表示電容大小。 將被測電容安裝在單穩(wěn)態(tài)電路中電容C3位

13、置處，選擇一個量程的開關合上，并點擊運行開關。若顯示值在1-100之間，則說明量程選擇正確；若顯示值為000，則說明量程選擇大，應調(diào)小量程；若顯示值大于100，則說明量程選擇太小，應調(diào)大量程。檔位分為100pF到10000pF，10000pF到1uF。 設定R1=4.7k，R2=12k，C=0.1uF，則由上式和量程可以算出180k和18000k。180k的檔位是大量程，顯示示數(shù)要乘以10000。18000k的檔位是小量程。選定R1=4.7K,R2=12K后，可計算得多諧振蕩器的輸出頻率為500Hz，設計數(shù)器的級數(shù)個數(shù)為n，待測電容值為Cx，可得n×ln2×R1+2R2C=

14、ln3×RCx調(diào)測R1，R2，R的值可以使n和Cx在數(shù)值上相等，及達到測量電容的目的。五、實物焊接與調(diào)試電路分為6個模塊進行焊接，分別為多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計數(shù)器電路、鎖存器電路、譯碼器電路、數(shù)碼管顯示電路。因為實際電阻和電容不可能為理論值，多諧振蕩器的頻率和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時間也不會為理論計算值，在這種情況下為了能測量電容的值就需要進一步的調(diào)試。調(diào)試時先用萬用表測得R1=4.66K，R2=11.70K,R3=175.9K,R4=17.53M。測得多諧振蕩器的輸出頻率為748Hz,待測電容Cx為0.1uF時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時間為6.4ms，顯然誤差較大，為了減小誤差，

15、對電路做了一些調(diào)整，將R1改為10K。改進之后電路的測量如下圖：（待測電容為0.22uF）六、元件清單元器件名稱大 小數(shù) 量NE5552 片74LS1603 片74LS2483 片74LS2732 片74LS041 片共陰數(shù)碼管3 個電容0.1uF2 個電容0.01uF1 個電阻4.7K1 個電阻12K1 個電阻180K1 個電阻18M1 個單刀雙擲開關1 個七、心得與體會 這是一次理論與實際相結(jié)合的過程，在這一過程中，我們終于能將所學的知識應用到生活實際中去。以前學習總感覺知識與實際脫離的太遠，學得再好，過不了多長時間就全忘了，到頭來學了也不知道有什么用，學了也沒用到實處去。而這次課程設計，

16、雖然我們只是在軟件上實現(xiàn)其功能，而沒有做出實物，但這也讓我們充分體會到了知識的魅力，實踐的樂趣。 由于我開始有自學過單片機，用過proteus軟件，對一些功能模塊比較熟悉，所以接到設計任務時對各部分電路有了整體的認識。結(jié)合相關的資料，我便開始設計起電路圖來。在設計過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設計及單位顯示電路的設計是值得注意的。74LS160對計數(shù)脈沖有一定的要求，同時多諧振蕩器的頻率也會影響測量精度。所以多諧振蕩器的電容電阻值的選擇有一定的講究。在設計量程時，我是通過改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來設計的。但最后在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，測量檔位在1uf-100uf時，某些電容值的顯

17、示結(jié)果很不穩(wěn)定，于是我便在在該檔位下，在在多諧振蕩器的C2電容間并聯(lián)一個電路，以減小輸出脈沖的頻率，同時增大單穩(wěn)態(tài)電路的定時時間以達到測量結(jié)果不變的目的。 當然，在整個設計過程中并非只遇到這幾個問題。我們可能會因為一個問題而在電腦前調(diào)試好幾個小時。但這發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程就是我們學習的過程。只有這樣，我們才能體會到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學到知識，開拓思維，提高動手能力。在我看來，拼裝出這個電路是其次，因為在網(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個電路。重要的是培養(yǎng)自己的設計、創(chuàng)新能力，解決問題的能力。 在這兩周期間，同學們相互討論，相互交流，相互學習，無疑也是一次團結(jié)合作精神的培養(yǎng)。 總的說來，這是一次綜合能力的鍛煉。也激發(fā)了我們動手的欲望，學習的激情。八、參考文獻1 閻石.數(shù)字電子技術基礎（第四版/第五版）M. 北京：高等教育出版社， 20062 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2006.3 金唯香，謝玉梅電子測試技術M.長沙：湖南大學出版社，2008.4 彭介華.電子技術課程設計指導M.北京：高等教育出版社，2006.5 毛期儉，蔣維玉，羅一靜，梁燕.數(shù)字電路與邏輯設計實驗及應用M.北京：人民郵電出版社，2006.本科生課