数字式电容测量仪

...数字式电容测量仪学院：机电工程学院专业：过程装备与控制工程班级：姓名：学号：指导老师：时间：2011年3月5日...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xC。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xC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ov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ov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...目录一、测量系统的方案设计1.1、测量部分的系统方案设计1.1.1、恒压充电法测量1.1.2、恒流充电法测量1.1.3、脉冲计数法测量1.2、测量信号数字化系统方案选择1.2.1、利用单片机进行编程翻译1.2.2、利用译码器进行翻译二、单元电路的设计及原理2.1、电容值测量电路及原理2.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理2.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理2.1.3、滤波器工作电路图及原理2.2、模拟信号的处理以及数字化显示三、系统参数设定四、结论及心得体会4.1、结论4.2、心得体会参考文献附表：元器件明细表、...一系统方案设计1.1测量部分的系统方案设计1.1.1:恒压充电法测量。用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：tuidCd。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。1.1.2：恒流充电法测量。用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用AD或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是：qCu.qit.所以itUc。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。1.1.3：用脉冲计数法测量电容。由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f≈121.43(2)RRC，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容xC构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号1ov作为单稳态触发器的触发信号。根据电容xC的大小来调节占空比1.1wxTRC。LM741与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号2ov滤波成为稳定的输出电压ov。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只需调节...构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法1.2测量信号数字化系统方案选择1.2.1：利用单片机进行编程翻译。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计成本将大大提高很不经济，且测量环境要求较高。1.2.2：利用译码器进行翻译。译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。...该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。二单元电路的设计及原理此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1电容值测量电路及原理2.1.1多谐振荡器电路图及工作原理555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬...空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。555定时器构成一个多谐振荡器，其电路图如图2-1-1所示：图2-1-1555定时器构成多谐振荡器其电路工作原理是：接通电源后，电容C被充电，当cv上升到23CCV时，使ov为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过2R和T放电，cv下降。当cv下降到3CCV时，ov翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:22ln20.7pLtRCRC当放电结束时，T截止，CCV将通过1R、2R向电容器C充电，cv由3CCV上升到23CCV所需的时间为：1212()ln20.7()pHtRRCRRC当上升到23CCV时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得...到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：1211.43(2)pLpHfttRRC2.1.2单稳态触发器电路图及工作原理555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2（a）所示。其简化电路如图2-1-2（b）所示：图2-1-2（a）555定时器构成第三稳态触发器电路...图2-1-2（b）555定时器构成单稳态触发器的简化电路其工作原理是：没有触发信号时1v处于高电平（1v＞3CCV），如果接通电源后Q=0ov=0，T导通，电容通过放电三极管放电，使cv=0，ov保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容xC充电，当cv上升到23CCV时，由于R=0,S=1锁存器置0，ov为低电平。此时放电三极管T导通，电容xC放电，ov保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态ov=0。若触发输入端施加触发信号（1v＜3CCV），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容xC充电，当xC充电至cv=23CCV时，电路的输出端电压ov由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容xC放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则cv从零电平上升到23CCV的时间，即为输出电...压ov的脉宽wtln31.1wxxtRCRC通常R的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可以保证测量的范围能够达到100pF~100uF。2.1.3滤波器工作电路图及原理滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为XL·XC=K2，故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对频率范围选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐谐振的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数。每一m常数滤波器的阻抗与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于0～1之间。当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一...频率需被截止，可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。虑波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容有源滤波器。其电路结构如图2-1-3所示。图2-1-3LM741组成的阻容滤波器其工作原理是LM741可以对占空比为wt的信号ov进行平滑滤波，使最后产生出来的信号（即是图2-1-3中的）与被测量的xC呈线性关系。测试部分所用的总的电路图如图2-1-4所示。图中的xC即是被测量的电容。...图中的电源是测量电路使用的电源，其值为15~18伏特之间。图2-1-4测量电路总图2.2模拟信号的处理以及数字化显示译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入