电容测试

1数字式电容测试仪设计系部：电气工程系专业:电子信息工程技术学号：112222010120姓名：李春节指导老师：范江波2摘要本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精确度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入到LED数码管中显示出来。关键词：:电容，555定时器，滤波器，线性，译码器，LED数码管。3目录引言……………………………………………………………………………4第1章指设计标…………………………………………………………………………………………….5第2章设计原理…………………………………………………………………………………………….52.1设计原理框图…………………………………………………………………………..52.2方案设计………………………………………………………………………………….52.3模块介绍………………………………………………………………………………….62.3.1控制器电路…………………………………………………………………………..62.3.2时钟脉冲发生器………………………………………………………………………..72.3.3计数和显示电路…………………………………………………………………….9第3章单元电路的设计…………………………………………………………………………..103.1直流稳压电源设计…………………………………………………………………….103.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路……………………………………103.1.2直流稳压电源的原理框图分析…………………………………………………103.1.3直流稳压电源特点…………………………………………………………………….113.2产生波形设计方案…………………………………………………………………………113.2.1由555定时器搭建多谐振荡器………………………………………………………………113.2.2由555定时器搭建单稳态触发器…………………………………………………13第4章设计的步骤和过程…………………………………………………………………………….144.1设计制作的过程……………………………………………………………………………..144.2时钟及控制信号的关系等……………………………………………………………….15第5章设计的仿真与运行结果………………………………………………………………………155.1电路的调试………………………………………………………………………………….155.2仿真测量…………………………………………………………………………………………165.2.1仿真测量实验一…………………………………………………………………………………..165.2.2仿真测量实验二………………………………………………………………………………165.3结果分析…………………………………………………………………………………………..17第6章芯片介绍…………………………………………………………………………………………..186.1555芯片功能介绍……………………………………………………………………….186.274LS160芯片介绍……………………………………………………………………….20第7章结论………………………………………………………………………………………………….217.1过程中遇到的困难及解决办法………………………………………………………217.2设计心得体会………………………………………………………………………………….21第8章附录……………………………………………………………………………………………………228.1整机的电路图...........................................228.2元器件清单…………………………………………………………..224引言随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。在实际操作中，对电容的测量存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。5第一章设计指标设计要求：1、基本部分(1)自制稳压电源。(2)被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内(3)设计两个的测量量程。(4)用3为数码管显示测量结果，测量误差小于20%。2、发挥部分(1)至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100μF范围内。(2)测量误差小于10%。(3)其它。第二章设计原理2.1设计原理框图2.2方案设计利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度Tx严格与Cx成正比．只要把此脉冲与频率固定不6变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示．如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字N便是Cx的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。2.3模块介绍2.3.1控制器电路控制器的主要功能是根据被测电容Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度Tx．图2所示为单稳态控制电路的原理图．该电路的工作原理如下：当被测电容Cx接到电路中之后，只要按一下开关S，电源电压Vcc经微分电路1C、1R和反向器，送给555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平．该高电平控制7与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数．暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx．然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度Tx与RCx成正比．如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。由于设计要求，Cx的变化范围为1F—999F，且测量的时间小于2s，即Tx2s，也就是Cx最大(999F)时Tx2s，根据Tx=1.1RCx可求得：取R=1.8K．微分电路可取经验数值，取1R=1K，2R=10K，1C=lF。2.3.2时钟脉冲发生器这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图3所示。振荡波形的周期为：123420.7()TtptpRRC8其中13420.7()tpRRC，2420.7tpRC占空比为：134342tpRRqTRR因为时钟周期340.7()TRR是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上6脚有10F的电流流入．因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10F。又因为要求Cx=999F时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在2s内产生999脉冲．即时钟脉冲周期应为T=2ms．即：122Ttptpms如果选择占空比q=0.6，即q=1tpT=0.6由此可求得：10.60.621.2tpTmsms21(21.2)0.8tpTtpmsms取2C=0.1F，则：4R=220.7tpC11.43K3R=120.7tpC-4R521521100%0%20%5215.713K．取标称值：3R=5.6K，4R=12K．最后还要根据所选电阻3R、4R的阻值，校算流过3R、4R的最小电流是否大于10uA．从图可以看出，当2C上电压cU达到23V时，流过3R、4R的电流最小，为:mIin=2334VCCVCCRR95uA振荡周期：3420.7(2)2.07TRRCms9可见所选元件基本满足设计要求．为了调整振荡周期，3R可选用5.6K的电位器．2.3.3计数和显示电路由于计数器的计数范围为1F—999F，因此需要采用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:三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图如下图：10第三章单元电路的设计3.1直流稳压电源设计3.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。（4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。3.1.2直流稳压电源的原理框图分析采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。~220V变压电路整流电路滤波电路稳压电路接负载11过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。3.1.3直流稳压电源特点采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。从电路中我们可看出，此电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与T2e点的电位进行比较（由于DZ1的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有T2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制T1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压稳定，Rp是一个可变阻器，调整它就可改变A点的电位（即改变取样值）由于T2e点的变化，T2c点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。3.2产生波形设计方案3.2.1由555定时器搭建多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图2-3所示，它既为下一级的单稳态触发12器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。其工作原理如下：多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于ccU31，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要cccccUUU3231，输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过ccU32时(即U6和U2均大于等于ccU32时)，RS触发器置0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要cccccUU