电容测试电路

1、课题四： 1、题目: 简易电容测试电路 要求：能够测微法 99 微法范围内的电容值，且可以换档操作。用两个数 码管作为显示原件。 测试时， 测试电容接至测试端自动显示出被测电容值， 且响 应时间不超过 2 秒。 2、主要技术指标： （1）设计制作一个具有数字显示功能的电容测量仪。 （ 2）测量电容范围为 F99F。 （3）设计电容数字测量仪的电路图。 （4）组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。 3、方案论证及选择（电路仿真部分） ： 数字式电容测量仪的方案分析 方案一 容抗法测量电容电路其设计思想是首先利用一定频率 （例为 400Hz ） 的正弦波信号将被测量电容量 Cx变成容抗 Xc

2、，然后进行 C / VCA转换，把 Xc 转换成交流信号电压，再经过 AC / DC 转换期取出平均值电压 V0 ，送至 31/2 位或 41/2 位 A/D 转换器。由于平均值电压 V0 Cx，只要适当调节电路参数， 即可直读电容量。容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。 优缺点：容抗法测电容的优点是能自动调零， 缩短了测量时间。但精度不高， 分立元件太多。 方案二 单片机法测电容其设计思想是利用对被测电容进行冲放电，通过施 密特触发器输出相应的时间脉冲宽度， 送入单片机处理， 最后送出正确的显示信 号给显示电路。 方案三 电容、电阻和施密特触发器构成一个多谐振荡器。 在电源刚接通

3、时， 电容 C 上的电压为 0，多谐振荡器输出 Vo 为高电平，Vo 通过 R 对电容 C 充电。 当 C 上充得的电压 Vc=Vt+ 时，施密特触发器翻转， Vo 变成低电平， Vc 又通过 R 放电， Vc 下降，当 Vc=Vt- 时施密特触发器又翻转，输出 Vo 又变成高电平。 如此往复振荡产生一系列时间脉宽送入单片进行中央处理， 最后送出显示信号通 过 LED 显示。 本系统设计主要采用 555 集成定时器构成多谐振荡器、 单稳态触发器等电路 把被测电容的电容量转换成电压量， 再把电压量通过译码器把电压量转换成数字 量并显示，从而实现电容测量。 4、系统组成框图： 它由测试电路和显示电

4、路两部分组成。在测试电路中，第一个 555 定时器 做多谐振电路，它通过电容配合电阻冲放电产生一系方波脉冲。第二个 555 定 时器组成单稳态触发器，它利用被测电容 Cx 的充放电过程去调制一个频率和占 空比均固定的脉冲波形，使其占空比 q 与 C 成正比，显然经过衰减电路取出合 适的脉宽的直流电压 Vo。然后由 MC14433 通过 A/D 转换，同时由 MC1403 提 供合适的基准电压，再通过七段锁存译码驱动器 CD4511 译码和 MC1413 的达 林顿反向驱动从 LED 显示器上读出电容。 5、单元电路设计及说明： 电容数字测量仪基本原理 在数字电路中常使用矩形脉冲作为信号， 进行

5、信息传递， 或作为时钟信号用 来控制和驱动电路。 本实验是自激多谐振荡器， 它是不需要外加信号触发的矩形 波发生器。 另一类是他激多谐振荡器， 有单稳态触发器， 它需要在外加触发信号 的作用下输出具有一定宽度的矩形脉冲波； 有施密特触发器 （ 整形电路 ） ，它对外 加输入的正弦波等波形进行整形，使电路输出矩形脉冲波。 在单稳态电路中， 当它输出的的脉冲幅度一定时， 其输出脉冲电压的平均值 只与脉冲的频率或脉宽成正比。如果将单稳态电路 CP端输入的触发脉冲的频率 固定，那么输出脉冲电压打的平均值就只与脉冲的宽度成正比了。 电容测量的基本原理是： 把电容量通过电路转换成电压量， 然后把电压量经

6、模数转换器转换成数字量进行显示。电容数字测量仪可由多种方法设计。如由 555 集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，单稳态触发器输出电压 的脉宽为： Tw=RCln3 式( 1) 这种电路产生的脉宽可以从几个微秒到数分钟，从式 (1) 可以看到，当 R 固 定时，改变电容 c 则输出脉宽 TW跟着改变，由 Tw 的宽度可以求出电容的大小。 把单稳态触发器的输出电压 V o 取平均值，由于电容量的不同， Tw 的宽度也不 同，则 Vo的平均值也不同， 由 Vo 的平均值大小也就可以得到电容 C的大小。如 果把这个 Vo 的平均值送到 3 位 AD转换器，经显示器显示的数据就是电容量 的大

7、小。由于单稳态触发器的输出脉冲宽度 Tw与电容 C 成正比，还可利用数字 频率计的知识， 把此脉冲作闸门时间和标准脉冲相“与”， 得到计数脉冲， 该计 数脉冲送计数 - 锁存- 译码显示系统就可以得到电容量的数据。 4511BCD 7段锁存 /译码 /驱动器 4518 双 BCD 码计数器（十进制） 6、总体电路图： 7、调试过程及测试结果 由于对方案的理解不够深刻， 使我们最后的设计不正确， 改变思路、 修改方 案、仔细检查后最后终于能够显示正确结果，但由于误差及焊接电路问题较多， 还是不够准确。这也是我们以后应该注意的。 8、主要元件清单： 1 电阻 150、1K 各2个 2 电阻 10K

8、、 各1个 3 电容 2个 4 电容 、1uF 各1个 5 开关 1个 6 74LS00 1个 7 4518 1个 8 4511 2个 9 阴极数码管 2个 10 待测电容 、47uF 各1个 11 555 2个 9、总结： 通过这周对电容测量仪的设计， 使我们了解很多芯片的功能及应用， 更重要 的是我们对芯片理解加深， 丰富的了这方面的知识， 课程设计是在模拟电路和数 字电路理论基础上进行的一次综合性系统设计， 通过设计和实践， 培养了我们的 综合运用知识、 实践操作及解决实际问题的能力， 使我们牢固掌握课程中学到的 电子线路的工作原理、 分析方法和设计方法， 学会电路的一般设计方法和设计流 程，并应用这些方法进行一个实际的电子线路的系统设计。 因种种原因调试不出 正确结果，在不断的调整和修改后， 终于有了正确的结果， 在失败中也学到很多， 这对我们以后学习中将会有很大的帮助，也会激励我们在困难面前勇敢向前。 10、参考文献： 1.邱关源 .电路第四版 .高等教育出版社 2 .沙占友 .新编实用数字化测量技术 .国防工业出版社