電容測試儀設(shè)計(jì)低頻課程設(shè)計(jì)

1、電容測試儀設(shè)計(jì)前言電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“存儲電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)果和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為極板，中間的物質(zhì)叫做戒指。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。不同的電容器存儲電荷的能力也不相同。規(guī)定把電容器外加1伏特直流電壓時(shí)所儲存的電荷量稱為該電容器的電容量。電容的基本單位為法拉（F）。但實(shí)際上，法拉是一個很不成用的單位，因?yàn)?/p>

2、電容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（uF）、納法（nF）、皮法（pF）等，它們的關(guān)系是：1F=106uF=109nF=1012pF。電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對電路的性能有重要的影響，本課設(shè)就是對電容器容量的測量。摘要：LM555是使用幾位廣泛的一種通用集成電路。LM555系列功能強(qiáng)大、使用靈活、適用范圍寬、可用來生產(chǎn)時(shí)間延遲和多種脈沖信號，因此被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。本設(shè)計(jì)利用LM555構(gòu)成設(shè)計(jì)一個多諧振蕩器，由于其輸出脈寬tw與電容C成正比，把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，在利用積分器，將電容的容量通過數(shù)字電壓表的直流檔直接顯示，從而構(gòu)成一個簡易的電容器容量

3、的測量電路。關(guān)鍵詞：無穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器、單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖、積分器目錄一、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1三、設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)1四、方案比較1五、方案論證2六、主要電路設(shè)計(jì)與說明 21、芯片簡介 2（1）LM5552（2）LM324 42、總電路圖 5（1）原理圖 5（2）原理說明 5（3）測量使用說明 6七、電路搭建與調(diào)試 61、軟件仿真 6 2、實(shí)際安裝電路 73、電路調(diào)試 7八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 7九、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得 8十、附錄 81、元器件清單 82、參考文獻(xiàn) 9一、設(shè)計(jì)目的1、掌握電容測試儀的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。2、熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容要求【1】1、555

4、定是電路通過查閱手冊獲得器件參數(shù)。2、根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過分析計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)。3、畫出電路原理圖。（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。4、設(shè)計(jì)的電路先通過計(jì)算機(jī)仿真。三、設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)1、測量范圍：1.0nF10.0uF。2、可以分檔測量。3、電源電壓在±12V電源范圍內(nèi)選擇。四、方案比較【2】方案一：用阻抗法測R、L、C有兩用實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電壓；用恒壓源供電，然后測元件電流，由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們使用的測量范圍很窄。圖一方案二：像測量R一樣，測量電容C的最典型的方法是電橋法，如圖1所示，只是電容C要用交流電橋測量，電橋的平衡條件為1通過調(diào)

5、節(jié)電阻Z1、Z2使電橋平衡，這時(shí)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)就可以求出被測參數(shù)。用這種測量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡單電路實(shí)現(xiàn)。方案三【1】：利用單穩(wěn)態(tài)出發(fā)裝置產(chǎn)生于電容值成正比的門脈沖來控制通過計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)脈沖的通斷，即直接根據(jù)充放電時(shí)間判斷電容值。方案四：由555集成定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為tw=RCln3=1.1RC。從式可以看到，當(dāng)R固定時(shí)，改變電容C則輸出脈寬tw跟著改變，由tw的寬度就可求出電容的大小。從而通過低通濾波后測量輸出電壓即可得到電容大小。綜上所

6、述，本課設(shè)選擇方案四來實(shí)現(xiàn)測量電容器的容量。五、方案論證啟動脈沖發(fā)生器Cx轉(zhuǎn)化為Tw寬的正脈沖轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出圖二1、總體設(shè)計(jì)方案（如圖二）2、設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)用555振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的啟動脈沖，同時(shí)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。Tw=1.1RCx，所以tw越寬，輸出的平均電流值越大，反之，越小。將輸出電壓信號輸入到一個積分器中，將電容信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，在將系數(shù)調(diào)整為1，就可以直接在電壓表上讀出電容容量值。六、主要電路設(shè)計(jì)與說明1、芯片簡介（1）LM555【3】【5】功能簡介2LM555/LM555C

7、系列是美國國家半導(dǎo)體公司的時(shí)基電路。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一種通用集成電路。LM555/LM555C系列功能強(qiáng)大、使用靈活、適用范圍寬，可用來產(chǎn)生時(shí)間延遲和多種脈沖信號，被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。555 時(shí)基電路有雙極型和 CMOS 型兩種。LM555/LM555C系列屬于雙極型。優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，驅(qū)動電流達(dá) 200mA。而另一種 CMOS 型的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高，但輸出功率要小得多，輸出驅(qū)動電流只有幾毫安。特性簡介直接替換 SE555/NE555。定時(shí)時(shí)間從微秒級到小時(shí)級。可工作于無穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)兩種方式?？烧{(diào)整占空比。輸出端可接收

8、和提供 200mA 電流。輸出電壓與 TTL 電平兼容。溫度穩(wěn)定性好于 0.005%/。應(yīng)用范圍精確定時(shí)脈沖發(fā)生連續(xù)定時(shí)頻率變換脈沖寬度調(diào)制脈沖相位調(diào)制引腳說明引腳編號符號功能說明1 GND 地線2 TR 觸發(fā)3 OUT 輸出4 RES 復(fù)位5 CV 控制電壓6 TH 閥值7 DIS 放電8 VCC 電源電路特點(diǎn)LM555 時(shí)基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其中 6 腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入。2 腳為觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入。3 腳為輸出端（OUT），有 0 和 1 兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。7 腳為放

9、電端（DIS），是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定。4 腳為復(fù)位端（R），叫上低電平（< 0.3V）時(shí)可使輸出端為低電平。5 腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。8 腳為電源（VCC），1 腳為地（GND）。3一般可以把 LM555 電路等效成一個大放電開關(guān)的 R-S 觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，要求高電平；觸發(fā)端（TR）可看成是置位端 S，低電平有效。它只有一個輸出端 OUT，OUT 可等效成觸發(fā)器的 Q 端。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反 Q端控制

10、：反 Q=1 時(shí) DIS 端接地；反 Q=0 時(shí) DIS 端懸空。此外這個觸發(fā)器還有復(fù)位端 R，控制電壓端 CV，電源端 VCC 和接地端 GND。這個特殊的 R-S 觸發(fā)器有兩個特點(diǎn)：（1）兩個輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端 R 即閥值端 TH 要求高電平，而置位端 S 即觸發(fā)端 TR 則要求低電平。（2）兩個輸入端的觸發(fā)電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當(dāng) CV 端不接控制電壓是，對 TH（R）端來講，> 2/3VCC 是高電平 1，< 2/3VCC 是低電平 0；而對 TR（S）端來講，> 1/3VCC 是高電平 1，< 1/3VCC 是低電平 0。

11、如果在控制端 CV 加上控制電壓 VC，這時(shí)上觸發(fā)電平就變成 VC 值，而下觸發(fā)電平則變成 1/2VC?？梢姼淖兛刂贫说目刂齐妷褐悼梢愿淖兩舷掠|發(fā)電平值。（如表1）（2）LM324【4】LM324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V-32V或+16V.LM324的特點(diǎn)：l 短跑保護(hù)輸出l 真差動輸入級l 可單電源工作：3V-32Vl 低偏置電流：最大100nA（LM324A）l 每封裝含四個運(yùn)算放大器。l 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?圖三l 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源l 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列l(wèi) 輸入端具有靜電保護(hù)功能LM324引腳圖（圖三）2、總電路圖

12、（1）原理如圖四圖四（2）原理說明【6】5如上圖所示：LM555-1，R1，R3，C2組成無穩(wěn)態(tài)多謝振蕩器， 振蕩頻率為160Hz。用LM555-1輸出的固定周期觸發(fā)LM555-2，則單穩(wěn)態(tài)輸出的脈寬與被測電容Cx的容量大小成正比，且tw=1.1RCx。所以將LM555-2輸出的電壓信號輸入到一個由LM324及電容構(gòu)成的積分器中，根據(jù)，把電容信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再將系數(shù)調(diào)整為1，就可以直接在電壓表上讀出電容容量值。 設(shè)置四個檔位測量電容值，理論上，470K1nF檔，47k10nF檔,4.7k100nF檔，4701uF檔，方便讀數(shù)。（3）測量使用說明通過multisim軟件仿真發(fā)現(xiàn)，在與四個檔位

13、相對應(yīng)的各測量檔位中，若被測量電容值小于4，則輸出數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，且讀出的數(shù)據(jù)在4左右，說明電路需要改進(jìn)。由于本人能力有限，并沒有想到很好的電路改進(jìn)方案使得可以直接測量出小于4nF（40nF、400nF、4uF）的值，僅以并聯(lián)上相應(yīng)電容4nF、40nF、400nF、4uF（近似，分別設(shè)為x1,x2,x3,x4）來解決。具體測量使用步驟如下：a) 拿到一個未知大小的電容后，從最低檔位（1nF）開始測量，若所示數(shù)值，則換下一檔位（10nF），測量，依次類推，直至讀數(shù)<10為止。確定好電容所在的檔位設(shè)為m（可為1nF檔、10nF檔、100nF檔、1uF檔）。b) 若讀數(shù)5，則Cx=示數(shù)檔位。c)

14、若讀數(shù)<5，將被測電容與相應(yīng)檔位的輔助電容相并聯(lián)，在該檔位測量總電容值，則Cx=（示數(shù)-x）檔位。七、搭建路與調(diào)試1、軟件仿真利用multisim軟件仿真原理圖，在1nF1uF范圍內(nèi)，仿真波形（如圖五）正確，測量出的任意電容值與其真實(shí)值相差誤差在5%以內(nèi)，圖五62、實(shí)際安裝電路分級連接電路，每一級連好后看是否能正常工作：（1）第一級555電路，安插好后，檢測發(fā)現(xiàn)每個元器件型號參數(shù)正確且沒有短路，上電，用示波器觀察波形，發(fā)現(xiàn)脈沖波形有少許失真，重新整理導(dǎo)線后，失真消失。（2）第二級555電路，與第一級連好后，用示波器觀察波形，發(fā)現(xiàn)第一級波形正常卻檢測不到第二級波形。斷電，用函數(shù)信號發(fā)生器取

15、代第一級電路啟動第二級555，正常工作。所以問題出現(xiàn)在兩級連接處，發(fā)現(xiàn)一跟導(dǎo)線插錯了，使兩級斷開了，重新連好后，電路工作正常，波形正常。（3）第三級LM324連上后，電路工作正常，波形正常，待測電容值改變，輸出電壓隨之改變。3、電路調(diào)試（1）檔位選擇處電阻由于各個電阻的阻值并不像標(biāo)示出來的一樣準(zhǔn)確，且導(dǎo)線間亦存在電阻，因此為使測量結(jié)果誤差<5%，需對各個檔位選擇處的電阻值進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)公式可知，若測量結(jié)果比真實(shí)值偏大，則需減小檔位選擇處的電阻值，反之，需增大電阻值。最終檔位電阻值分別為420k、45k、4.1k、420。（2）輔助電容由于實(shí)驗(yàn)室電容種類有限，所以輔助電容大多為幾個電容的組

16、合，最終，選定了5.5nF，47nF，430nF，4.7uF四個輔助電容。八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)7表二其中，C2為輔助電容大小，C1為電壓表示數(shù)，C分為兩種情況：C=C1 檔位或C=（C1-C2） 檔位，具體算法詳見測量使用說明。九、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得本設(shè)計(jì)完成了題目所給的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)了一各電容測試儀，電路性能可靠，測量誤差在允許的范圍內(nèi)，雖然美中不足遇到數(shù)值小于4的電容測量起來比較麻煩，但本設(shè)計(jì)基本是成功的?；仡櫞舜蔚皖l課程設(shè)計(jì)，可謂是困難重重。從查閱資料到電路設(shè)計(jì)，從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐總結(jié)，我的確學(xué)到很多東西，這不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，更增強(qiáng)了我對電子設(shè)計(jì)的濃厚興趣。通過本次實(shí)踐，我認(rèn)識到自己諸多

17、缺點(diǎn)：時(shí)常粗枝大葉的忽略細(xì)節(jié)，課設(shè)準(zhǔn)備階段，我是按照數(shù)碼顯示設(shè)計(jì)的本次課設(shè)，結(jié)果課設(shè)開始的第一天，忽然發(fā)現(xiàn)要求用電壓表顯示數(shù)值，只好又重新設(shè)計(jì)顯示電路；在調(diào)試過程中，缺少耐性，又不夠細(xì)心。同時(shí)，我也意識到，自己所學(xué)知識十分有限，對已經(jīng)學(xué)過的知識理解又不夠深刻，掌握得不夠牢固。本次課設(shè)結(jié)束了，我一定將基本知識打牢，多多學(xué)習(xí)，理論聯(lián)系實(shí)踐，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。最后，特別感謝給予我大力支持與幫助的老師和同學(xué)，相信沒有你們的幫助，我很難順利的完成本次課設(shè)。十、附錄1、元器件清單設(shè)備及元器件名稱大小數(shù)量直流穩(wěn)壓電源一臺數(shù)字電壓表一塊LM5552個LM3241個電容222、332、333、473、334、504、105、4.7uF各1個10483個待測電容