课程设计（论文）电容测量仪

1、1设计任务与要求(2) 1.1 设计目的 1.2基本要求2.设计原理(2)3.总体设计(2)3.1基本原理3.2系统框图4.原理分析和说明(7)4.1滤波电路4.2电容测量及电压采样电路4.3模数转换及数字显示电路4.4模数转换电路调试5.实验测试(7).6.小结(7)7附录(8)摘要: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cc7107ad转换器把电压量转换成数字量并显示，从而实现电容测量。一、设计任务与要求设计制作一个具有数字显示功能的电容测量仪。该数字电容测量仪能对日常电子线路中所用到的电容进行方便的测量。1、 设

2、计目的（1） 掌握电容数字测量仪的设计、组装与测试方法。（2） 熟悉相应的中规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。2、基本要求(1)设计一个电容数字测量仪电路。(2)采用数字显示被测量的电容。(3) 测量电容范围为1uf-9.99uf。二 、电容数字测量仪基本原理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=1.1rc（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

3、脉宽tw跟着改变，由t w 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小。三、总体设计1、总体设计思路根据题目的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，从使用简单、调整方便、测量误差等方面出发，制定了整体的设计方案：以555集成定时器为核心，ad7107摸数转换，实现数字电容测量电路。我们将系统划分如下几部分，实现电容测试、数据采集、摸数转换及数字显示等基本功能。（1） 电容测量部分：包括多谐振荡器

4、、单稳态触发器。（2）数据采集部分：包括二阶滤波电路。（3）摸数转换部分：cc7107a/d摸数转换器。1、系统框图如下（图3-1-1）：数字电容测量仪总体框图（3-1-1）2、 各模块具体实现原理分析和说明：（1） 电容测量及电压采样电路的设计：采用两块555集成定时器分别构成多谐振荡器及单稳态触发器，构成电容测试电路。利用被测电容cx的充放电过程调制一个频率和占空比均固定的脉宽波形，使占空比d与cx成正比，然后通过滤波电路取出直流电压平均值。测量电容的转换过程为： ,由此实现了c/v的转换，将被测电容量转换成直流电压量。（2）摸数转换及数字显示电路：根据数字显示电路的特点本设计中摸数转换电

5、路采用cc7107a/d转换器。7107a/d转换器包括两个部分，其一，将被测模拟信号转换成适合7107a/d的电压实现摸数转换的功能，其二，能将电压信号转换数字信号。采用7107a/d转换器能简单的实现摸数转换及数字显示。根据前级电路的参数将7107a/d转换器的外围电路及参数设置如图（3-2-3）： 图（3-2-3）(3)模数转换电路调试电路按图（3-2-3）连接，检查无误后按下表数据测量：项目方法-相短接的端子显示器读数负号千位百位十位个位1in+，in-熄熄0002in+，vref熄10003in+，v+熄1熄熄熄4in+，v-1熄熄熄表2-1上述测试结果，如果和表2-1相符合说明cc

6、7107是好的。四、电路所用仪器及材料1、 仪器双踪示波器 一台 数字万用表 一只 稳压源 一台 交流毫伏表 一台2、 材料材 料数量（只）材 料数量（只）5552硬制电路板1，（12*6cm）cc71071电容若干共阳数码管4电阻若干五、器件介绍1. 555电路555定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单、性能可靠、使用灵活，外接少量阻容元件，即可组成多种波形发生器、多谐振荡器、定时延迟电路、报警、检测自控及家用电器电路，其应用非常之广。 (1)555定时器引脚排列如图10141所示，各引出端功能如下： 1脚(gnd)地 2脚(tri)低电平触发(2/3vcc） 7脚(dis

7、)放电端 8脚(vcc)电源端(vcc5v18v)(2)555定时器主要参数3)555定时器功能表定时器的几种功能见下表。1.复位res(4脚)为0输出为0。2.高触发电平thr(6脚)2/3vcc，d放电管导通，输出out为03.低触发电平tr(2脚)1k(3)振荡器波形 555多谐振荡器波形如图所示。 图中uc为电容器c的充放电波形，“uo为输出矩形波。 2555型单稳态触发器(1)555单稳态触发器如图所示。图中r、c为定时元件。rt、ct输入微分电路。其作用是当vi负脉冲宽度大于输出正脉冲宽度tw，则需将vi通过rt、ct微分经非门倒相的负脉冲接至2脚。 (2)输出脉冲宽度tw： tw

8、=1.1rctw由定时元件r、c参数决定，改变r、c值，可以控制输出波形的宽度。单稳态触发器常用于定时、延迟或整形电路。（3）555内部电路2.数码管3.cc7107介绍2cc7107转换器引出端功能： cc7107采用标准的陶瓷或塑料双列直插40引线封装，引线排列如上图所示。各引线的功能说明如下：au-gu；为个位的段驱动信号，接个位led的a-g对应段笔画。atgt：为十位的段驱动信号，接十位led的a-g对应段笔画。ahbh:为百位的段驱动信号，接百位led的a-g对应段笔画。abk：为干位的驱动信号，接干位led的c和b段。pm：为负数指示信号接干位led的g段笔画或负号段,该信号为负

9、值时，该段点亮，正值则不显示。gnd：为逻辑线路的电位端。osc1和osc2：为时钟脉冲发生器的接线端vref+和vref：为参考电压的接线端。cref+和cref：为参考电容的接线端。com：为公共模拟地端。in+和in：为模拟信号输入端。buf：为缓冲器输出端，接积分电阻。az：为积分器和比较器的反相输入端，接自动稳零电容。int：为积分器输出端，接积分电容。test：为灯光测试端，在检查led时该端通过500欧电阻与gnd相接，则各段均显示。v+：为电源正极，通常接+5v。v：为电源负极，通常接5v。 cc7107d 功能测试：cc7107的功能测试电路如下图所示，图中各元件的参数选择说

10、明如下：r1和c1组成振荡器的rc网络，r1取值为100k。c1取疽为100pf，大约可以获得45khz的时钟脉冲，这时每秒大约出现3次数。r2和r3为参考电压的偏置电阻，r2为电位器，取值15k；r3取值24k，参考电压的大小通过r2选取，参考电压取1000mv。c2为参考电容，其值取0.1uf。 r5为积分电阻，取值47k。c5为积分电容，取值o22ufc4为自动稳零电容、取值0.47uf。 c3为输入滤波电容，取值0.01uf。r4为输入限流电阻，取值1m。按上图接好线路，经检查证明正确无误后，方可接通电源进行测试，测试项目和方法如下：(1) 零信号读数测试：将in+和in两端短接，这时

11、读数应为“0000”。(2) 比例读数测试；将in+与vref+两引线短接这时读数应为“1000”或接近“1000”的读数。(3) 正信号溢出功能测试：将in+与v+引线短接，这时只显示干位的1，其余全熄灭。(4) 负信号溢出功能测试：将in+与v引线短接，这时显示负号和千位的1，而百、十、个位全熄灭。各项接线和读数如下表所示：经过以上各项测试结果与上表符合，说明该块cc7107功能良好。测量部分原理图方案：采用两块555集成定时器分别构成多谐振荡器及单稳态触发器，构成电容测试电路。将单稳态触发器3脚输出量转换成电压量，并通过a/d7107摸数转换器把电压量转换成数值量并通过共阳显示器显示。此

12、电路的电压采样电路有两种方案一种为峰值检波电路，另一种为滤波电路。1、滤波电路： 图1-2-3 采用此二阶滤波电路来采集电压量，能很好的将方波滤成直流量，而且误差很小。比较两种电压采样电路明显采用滤波电路误差小，所以此次设计电路采用二阶滤波电路做为电压采样电路。由于采用了a/d7107摸数转换器把电压量转换成数值量，所以方案三电路克服了方案二电路使用大量数字集成块的缺点，并具有数字显示功能符合设计要求，而且误差小，精度高。测量数据如下:小量程 大量程实际值: 1uf 2.2uf 10uf 47uf 100uf 147uf测量值: 1.0uf 2.1uf 10uf 48uf 100 uf 148

13、uf误 差: 0uf -0.1uf 0uf 1uf 0uf 1uf此电容测量电路具有多路选择功能，可测量1pf-20uf的电容量，当把图（3-2-1）中的r3和测量档电阻交换时就能实现不同范围档电容量的测量。现以1uf-20uf档作原理介绍如下：此电容测量电路由555及r1、r2、c1构成脉冲发生器，它所产生的震荡频率为 f1=1.44/(r1+2r2)c （1-1）将r1=150k，r2=300k，c1=0.1u，代入式（11）中得到：f1=48hz,对应的t1=50ms。脉冲占空比为： d1=(r1+r2)/( r1+2r2) （1-2）由式可知占空比与c1无关，d1=0.6。由555构成

14、的脉冲发生器3脚输出通过隔直电容接由另一块555及被测电容cx、r3构成的单稳态触发器的2脚（tr）。并利用cx 的充放电来实现对脉宽宽度进行调制。以1uf-20uf为列，取r3=1k，则单稳态触发器out端输出信号为tw=1.1r3*cx=1.1*(10-3) (1-3)由(twt)*vcc=uout得:cx=(t(1.1r3*vcc)*uout (1-4)由式(1-4)的cx和 uout成正比,由(t(1.1r3*vcc)=50(1.1*1*5)=1*(10-5)可知当cx=1uf时, uout=0.1v,可以看出cx和 uout再数值上有相似之处，这样就实现电容测量的功能。图中r4、r5为偏置电阻。单稳态触发器输出vo1经过滤波电路取出电压平均值v(vo2)。单稳态触发器输出所接的就是二阶滤波电路