数显电容测试仪-毕业设计.doc

数显电容测试仪 摘 要 随着科技的不断发展，人类的不断进步， 电容器在电子线路中得到广 泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的影响，因此测量电容的大小 在生产和生活中起着至关重要的作用。本课题就是关于电容的测量并通过数字 显示出来。 电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，目前，电容测量仪的应用 现状是：品种多样，技术含量高。 电容的测量有多种方法，有电桥法、单片 机法、容抗法、调频法、运算放大器法、脉宽调制法等。本设计采用脉宽调制 法，本电容表五位 LED 显示容量，两位 LED 显示单位，分为三个量程：0pF 99999PF、0.001F99.999F、0.1F9999.9F。全数字电路，晶振稳频误差 小，耗电量小，制作费用低。电路可分为四个部分，显示电路、测量电路、量 程转换及符号控制电路、电源电路。要用数字电路来测量电容的容量可以把容 量转换成相对应的脉宽宽度，将电容接入一由 NE555 构成的单稳电路，此电路 摘要 I 的暂稳态时间即脉宽。此脉冲用来控制一个电子开关，让固定频率的脉冲通过 电子开关送往显示电路，由七个数码管显示出来。 我们有理由相信，随着科技的不断发展，在电子技术领域里，电容量的测 量仪器电容测量仪将得到越来越广泛的应用；电容测量仪也将向着更合理， 更科学，更适用的方向不断向前发展！ 关键词：译码显示，计数测量 ，脉宽调制法 ，单稳电路 Abstract II 目录 摘要I ABSTRACT.II 目录III 第一章 绪论1 1.1 课题研究现状 1 1.1.1 电容测量的技术发展 1 1.1.2 课题研究的 目的与意义.2 1.2 课题主要设计内容 2 1.3 课题指标与参数 2 第二章 各设计方案的比较及论证3 2.1 各方案基本原理的介绍4 2.2 方案比较及确定8 第三章 总体电路设计9 3.1 系统工作原理及方框图 9 3.1.1 容量测量 工作原理 10 3.1.2 NE555 的介绍10 3.2 电源电路 12 3.2.1 桥式整流电路的工作原理 13 3.3 测量电路 14 3.3.1 MC14060 的介绍15 3.3.2 MC14040 的介绍17 3.4 量程转换及符号控制电路18 3.4.1 MC14017 的介绍19 3.5 计数显示电路 21 目录 IV 3.5.1 七段 LED 显示及其工作原理 .23 3.5.2 MC14543 的介绍24 3.6 采用脉宽调制法的误差分析 26 3.7 使用方法与校正 27 3.8 元件的选择与制作 27 3.9 整体电路原理图 28 第四章 PROTEL DXP 应用.29 4.1 PROTEL DXP 的介绍 29 4.2 原理图设计步骤30 4.3 PCB 板图的设计步骤31 结 论35 参考文献36 致 谢37 附录38 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题研究现状 随着科技的不断发展，人类的不断进步，电子技术领域的发展可谓突飞猛 进，电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重 要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。电容测量仪的发展 水平越来越高，目前电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。如： YD2612A/12B 电容测量仪，它有着良好的测试稳定性，抗冲击能力强。如： TH2615 系列电容测量仪，它是一种易操作、智能化的电容测量仪，仪器价格 低，测试速度快。如：多频 HF2617 电容测量仪，它的可靠性稳定性强，测量 显示直观，适用性好。因此，目前精确度高、稳定性好、仪器价格低、测试速 度快的电容测量仪有着极大的需求。 1.1.1 电容测量的技术发展 测量电容器的参数，最经典的方法是采用电桥法，80 年代问世了数字自动 电桥，电桥在内部微机的控制下自动平衡，最终结果直读得到，大大方便了使 用，如今高压西林电桥、高频电桥等几乎已经被自动化电桥所替代。由于电桥 的结构复杂，成本相对也较高，对电容器的一般测量如仅测其电容量，可以用 阻抗法测试。阻抗法相对于电桥法简单的多，有的数字式万用表配备有电容测 试功能，其原理大都是以阻抗法实现的。随着测试技术的不断进步，特别对相 位角测试精度的提高，在阻抗法测量的同时增加相位角的测量可以较准确的得 到介质损失角，在一定范围内已经可以替代电桥法测量。小型电容测试仪还常 用积分法或斜率法（含双斜率）测试电容，原理是测试 RC 积分时间或以恒流 源对被测电容充电，用充电时间或充电终止电压来计算被测电容的电容量，可 以达到比较高的测试精度，因为测试电源本质上为直流，该方法对测试电解电 容非常合适。 第一章 绪论 - 2 - 1.1.2 课题研究的目的与意义 数字电子技术在现代社会得到了广泛的应用，电容是电子技术中不可缺少 的部分，它在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重 要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。通过对数显电容测 量仪的设计，使我巩固了所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，培养 了我综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；同时对电容测量 仪器的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解； 进而掌握了应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法；可以帮助改进现 有电容测量系统的不足，为企业产品创新做出帮助；提高自己的动手实践能力 和对电子设计的兴趣，为自己以后从事电子类专业打下坚实的基础。 1.2 设计的主要内容 1. 方案比较及论证 查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。 2. 基本测量原理。 3. 工作原理、框图及单元电路设计。 4. 系统实现及元器件选择。 5. 绘电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。 6. 结论。 1.3 设计的技术指标与参数 1. 测量范围：第一档 0pF99999pF，第二档 0.001F99.999F，第三档 0.1F9999.9F 2. 测量小电容时有校正电路。 3. 显示方式：七位 LED 数码管显示，五位 LED 显示电容量，两位 LED 显示单位。 4. AC220V 供电 第二章 方案比较与论证 - 3 - 第二章 方案比较与论证 2.1 各方案基本原理的 介绍 电容测量仪的基本原理是把容量转换成其它形式的物理量，通过对其它物 理量的测量，从而计算出电容的容量。可以转换为电压值来测量，可以转换成 脉冲宽度，可以用容抗值来测量，测量的方法有多种。 1. 方案一 微分法测电容 如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选 择适当的条件下，微分电路的输出幅度与 Cx成正比，再经峰值检测电路或精密 整流及滤波电路，可以得到与 Cx成正比的直流电压 Ux ，然后再进行 A/D 转换 送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。 （电路如图 2-1 所示） 设三角波函数式为 UI=K （0 电源线信号线。 (3)线间距。相邻敷铜线之间的间距应该满足电气安全要求,同时为了便于生 产,间距应该越宽越好。最小间距至少能够承受所加电压的峰值,一般要求 2000V 电位差之间的敷铜线距离应该大于 2mm。在布线密度低的情况下,间距应该尽 可能的大。通常线间距最好不要低于 0. 3 mm。 (4)屏蔽与接地。敷铜线的公共地线应该尽可能放在电路板的边缘部分。在 电路板上应该尽可能多地保留铜箔做地线,这样可以使屏蔽能力增强。另外对数 字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个环路或网格状,即构成一个地网来使用, 而模拟电路的地线则不能这样使用。 4 结论 PCB 板图的设计是一个复杂而又简单的过程。Protel 提供了一个良好的电 路设计开发环境,功能强大,方便实用。但是要设计出一块优良的 PCB 板,还需要 不断地去学习和实践。 5. PCB 版图 第四章 Protel DXP 的应用 - 34 - 1 2 3 4 8 7 6 5 1 43 2 5 4 32 1 12 1 2 21 21 21 21 2 1 2 1 2 1 21 21 21 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 321 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 12 43 12 43 12 43 2 1 1 2 3 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 1234 8765 1 2 3 4 8 7 6 5 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 910111213141516 87654321 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 19 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 910111213141516 87654321 910111213141516 87654321 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2121 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 21 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 图 43 PCB 版图 结论 - 35 - 结 论 本次课题名为数显电容测量仪，此设计电容测量仪分为三个档次：第一档 0pF99999pF，第二档 0.001F99.999F，第三档 0.1F9999.9F，测 量范围较宽，适合测量各种容量的电容，使用 MC14017 分频计数集成电路， 当按钮 AN 按下不同次数时，其相应的管脚输出高电平，实现量程间的不同 转换。在测量小电容时有校正电路，加入了校正电容 ，可以使测量更加准确 。 利用 MC14553 的分时控制原理可以使一只译码管显示三位数字。采用七位 数码显示，五只数码管显示容量大小，两只数码管显示单位，测量时更加直 观方便。 电源采用 220V 交流供电，经变压、整流、滤波得到 12V 直流电源。 设计结果基本达到设计要求。 由于设计时间相对来说比较仓促，加上专业水平有待提高，虽然本次设 计达到了任务书中的要求，但还存在一些不足之处，需要进一步改进，以便 使设计出的电容表更精确。 致谢 - 36 - 附录 - 37 - 附 录 元件明细表 名称电路图数 量 规格来源备注 -、 1 R 24 R 43 R25470市售碳膜 1/8W - 25 R 27 R 31 R 29 R 510K市售碳膜 1/8W 、 28 R 35 R21M市售碳膜 1/8W 30 R14.7K市售碳膜 1/8W 32 R1910K市售金属膜 1/8W， 误差 0.5% 33 R1910市售碳膜 1/8W 误差 0.5% 34 R10.91市售金属膜 1/8W， 电阻器 - 36 R 42 R710K市售金属膜 1/8W， 误差 0.5% 1 C10.001市售高频瓷片 2 C151P市售高频瓷片 3 C10-51P市售可调高频瓷片 、 4 C 7 C20.01u市售高频瓷片 、 5 C 6 C 8 C30.1u市售高频瓷片 - 9 C 12 C40.1u 50v市售钽电解电容 、 14 C 16 C20.1u 25v市售钽电解电容 13 C14700u 25v市售电解电容 电容器 15 C110u 16v市售电解电容 二极管- 1 D 19 D19IN4001181市售 21IC IC2MC14543市售用集成电路插座 3 IC 4 IC2MC14553市售用集成电路插座 5 IC1MC14060市售用集成电路插座 6 IC1MC14040市售用集成电路插座 7 IC 8 IC1NE555市售用集成电路插座 9 IC1HMC14017市售用集成电路插座 集成电 路 10 IC1MC14081市售用集成电路插座 附录 - 38 - 11