电容测试仪课程设计汇本

1、电容测试仪课程设计一、容摘要本实验使用两块555芯片和一块324芯片设计了一个电容测试仪，该电容测试仪 分为四个量程，可以测从1.0nf到lO.Ouf的电容。555芯片的作用分别是构成了 多谐振荡器和单稳态触发器。324芯片中的一个放大器构成了积分电路模块。整 个电路实现了将电容容值通过数字电压表的直流档直接读出来的功能。关键词：555芯片，324芯片，电容测试仪二、设计任务电容的容量值通本课题要求利用LM555设计一个测量电容器容量的电路, 过数字电压表的直流档直接显示。三、技术指标1 熟悉电路的工作原理。2电容测量围：1.0 nF 10.0uF。3. 可以分档测量。4. 电源电压在12V电

2、源围选择四、设计要求1 .根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。2 .画出电路原理图。元器件标准化，电路图规化3 .设计的电路先通过计算机仿真。4. 555定时电路通过查阅手册获得器件参数。五、实验要求1 .根据技术指标确定测试工程、测试方法和步骤。2. 确定实验所用仪器。3. 作出记录数据的表格。4. 完成实验。六、电路工作原理集成定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，输入信号自引 脚6和引脚2输入，输出信号至引脚3输出。引脚4是复位端，当其为0, 555 输出低电平，平时4端开路或接Vcc。引脚5是控制电压端，当其外接一个输入 电压，即改变了比拟器的参考电平，

3、从而实现对输出的另一种控制，在不接外加 电压时，通常接一滤波电容，以消除外界来的干扰，并确保参考电平的稳定。当 芯片部三极管导通时，将给接于引脚 7的电容提供低阻放电通路。整个电路分为三个局部：第一局部：555定时器构成多谐振荡器。5端口连接10nf电容，起滤波作用。 将端口 6和端口 2连在一起，作为输入信号 Vi的输入端。在电路接通电源时， 由于电容Ci还未充电，所以Vc（即6端口和2端口）为低电平，电路输出（即3端 口）为高电平。555芯片部的三极管截止，Vcc通过电阻（Ri+F2）对电容Ci充电，电 路进入暂稳态。在暂稳态期间，随着电容 C的充电，Vc电位不断升高，当Vc>cc时

4、，电路输出（即3端口）反转为低电平，电路发生一次自动翻转。与此同时，555芯片部的三极管导通，电容 Ci放电，电路进入另一暂稳态。 在这一暂稳态期间，随着电容 Ci的放电，使Vc电位逐步下降。当Vc下降至Vc<.cc时，使电路输出（即3端口）翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，重复上述电容 Ci的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。其工作波形如 图一所示。0twittw2图i自激多谐振荡器工作波形由上述分析，在电容充电时，暂稳态的持续时间为twi =0.7（Ri+R?）Ci在电容放电时，暂稳态持续时间为tw2=0.7RCi因此，电路输出矩形脉冲的周期为T= tvi+ tw2=0.7

5、（R+2«）Ci振荡频率为f = i.44 / （ R +2 F2） G第二局部：555定时器构成单稳态触发器。4端口接高电平Vcc。以2端口做 输入触发端，Vi的下降沿触发，将芯片部三极管的集电极输出7端通过换量程的电阻接Vx,构成反相器。反相器输出端 7接待测电容CX到地，同时7端口和6 端口连接在一起。这样，构成积分型单稳态触发器，其工作波形如图2所示。Vi0 1 tVo图2单稳态触发器工作波形开场，输入信号 Vi=Vcc，所以输出高电平。电源 Vcc通过调量程的电阻对待 测电容充电，使6端口电位上升。当其充电至大于 彳CC时，输出Vo为低电平。 同时，待测电容Cx放电，最后放

6、电至0,这是稳定状态。当V输入信号下降沿到达时，Vi=0,使输出为高电平。电路受触发发生一次 翻转。与此同时，电路进入暂稳态。由于 Cx的充电，使6端口电位逐渐上升。当 其大于t| cc时，电路输出为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态完毕。同时， 待测电容很快放电至0，电路恢复到稳定状态。由上分析可见，暂稳态的持续时间主要取决于外接调量程电阻和待测电容， 不难求出输出脉冲的宽度tw为tw=RCI nHl所以tw越宽，输出的平均电流值越大，反之，那么小。第三局部：由LM324AN中的放大器组成积分器，将单稳态触发器输出的脉冲信 号输入到积分器中，输出电压值与脉冲电压的关系为通过积分，输出的电压为

7、一稳定值，选择适当的电阻值，可以使待测电容值的大 小直接从数字电压表的直流档读出来。七、电路原理图本电容测试电路原理图如图3所示图3电容测试仪电路八、仿真测试及仿真数据测1.0nf10.0nf的电容值，选择470KQ档;测10.0nf100.0nf的电容值，选择 47 KQ档；测100.0nf1000.0nf的电容值，选择 4.7 KQ档；测1.0uf10.0uf的电容值，选择470 Q档。注：实际仿真测试时，由于接上四脚开关使数据不准确，所以并没有连接四 脚开关，而是直接接该量程电阻测的，小于4时接的并联的电容同理。表1仿真数据测量围Cx理论值Rx档位C仿真测量值相对误差1n f10 nf3

8、.3nf并 4.0nf470KQ3.244nf(+4nf)0.77%1n f10 nf6.8 nf470 KQ6.744nf0.82%10n f100 nf22nf并 40.0nf47KQ21.55nf +40nf0.73%10n f100 nf55 nf47 KQ54.65nf0.64%100 nf1uf220nf(并 400.0nf)4.7 K Q215.3 nf(+400.0nf)0.76%100nF1uf660nf4.7 K Q653.9nf0.92%1uf10uf3.33uf(并 4.0uf)470 Q3.267uf(+4.0uf)0.86%1uf10uf5uf470 Q4.962u

9、f0.76%图4多谐振荡器输出波形T2-TIhrri电出世TimeL566 s1.666 s0.000 sChamelA0 .ODD VB.DOO Va .ODO VSave NOChsrrll ACharrd D&c=ale 1lD m s /D ivKposhion cATDSc3le 5 WCWY pcsitian c-Scale P MDiwTUgflsr田聘序划E E|ErtV positioPlD图5单稳态触发器输出波形九、实际测试及实际数据本电路在测量电容时，由于电路本身设计的缺陷，每档电容值首数字在4以下的测量就不准确了（如量程在10.0nf至100.0nf之间时，10

10、.0nf40.0nf的电容值就测不准确了），需要并联一较大电容才能准确测量。所以为了实际中在不知 电容值大小的情况下能准确定位其测量档位及电容值，我采取了如下方法：当被测电容接入电路后，先选择最小档测量，如果满偏，那么换上一档，直至不满偏， 证明是该档电容，假设测出来的电压值在六以下或六左右，（因为数值在1左右的电容值有的测出来等于6左右,而其他数值在4以下的电容测量值都不超过6, 所以选择该数作为是否并联电容再测量的分界点）那么并联一电容，使其数值不超过十并大于六，用测得的数值减去并联的电容的值，就是待测电容的值。假设值不在六以下，那么测出来的电容值是多少就读多少。由于每档都是4以下的值测不

11、准，所以理论上我想选择用电压值显示为6时的电容值来并联测不准的电容，以便准确判断该电阻是否是所测量程之的电 容，好决定是否换更大的档测量它。 但由于实际电容值的限制，我每档选择的并 联电容值示之如下：1.0nf10.0nf 档：并联 6.8nf 电容；10.0nf100.0nf 档：并联 66nf 电容；100.0nf1000.0nf档：并联 660nf 电容；1.0uf10.0uf 档： 并联 5.0uf 电容。插好面包板后，由于实际中导线有电阻，器件也不能到达理想的功能的原因， 接470KQ、47KQ、4.7 KQ、470Q并不能准确测出电容的值。所以我将每档电阻 都换成了滑动变阻器，通过

12、不断调节使输出电压值能和待测电容值能很好的吻 合。最后调到的电阻值分别是：1.0nf10.0nf档：2=固定电阻512 KQ+滑动变阻器50 KQ;10.0 nf100.0 nf 档：局=51.5 KQ;100.0nf1000.0nf档：R3=5.44 KQ;1.0uf10.0uf 档：R4=635 Qo表2实测数据特征测量围Cx理论值档位C实际测量值误差1n f10 nf1.0nf并 6.8nf562KQ1.05 nf(+6.8 nf)0.64%1nF 10 nf3.3nf并 6.8nf562 KQ3.51 nf(+6.8 nf)2.08%1n f10 nf6.8 nf562 KQ6.81

13、nf0.15%上一档上界10n f100 nf10nf并 66nf51.5KQ10.5nf +66nf0.66%10n f100 nf22nf并 66nf51.5KQ22.4nf +66nf0.45%10n f100 nf55 nf51.5KQ53.9 nf2.00%上一档上界100 nf1uf100nf(并 660nf)5.44KQ111 nf(+660nf)1.44%100nF1uf220nf(并 660nf)5.44KQ238nf(+660nf)2.05%100nF1uf470nf5.44KQ480nf2.13%100nF1uf550nf5.44KQ562nf2.18%100nF1uf6

14、60nf5.44KQ665nf0.76%上一档上界1uf10uf1uf(并 5uf)635 Q1.19uf(+5uf)3.17%1uf10uf3.33uf(并 5uf)635 Q3.49uf(+5uf)1.92%1uf10uf5uf635 Q5.03uf0.60%此档上界1uf10uf10uf635 Q9.66uf3.4%由于每档测量其上界电容值都没有将其放入更高档测量准确，所以我将每档的上界电容值都放在了更高一级的档位测量了。教师在检查过程中，先让我测试了某一档电容的值，该档电容值都满足精度 要求，然后教师将一未知电容接入电路相应位置，第一次由于紧，我忘了小电容要并联一个电容后测量才准确的原

15、那么，导致测出的数据不太准确。后来，教师又给了我一个电容，吸取上一个的经历，我仔细测量，从最小量程开场，逐一排 除，得知这个电容的大概容值在 100nf1000nf之间，然后测得这个电容在该档 时电压表只显示有三左右，证明它也需并连一个电容才能准确测量， 所以我并上 了两个330nf电容，即相当于并联了一个660nf电容，电压表显示为9.94伏，证 明测出来的电容值为994nf，减去并联的电容值，即最后测得的电容值为 334nf, 摘下待测电容，读取其数值，为 330nf,误差为0.40%,满足精度要求，测试成 功。十、主要仪器名称及型号设备及元器件名称型号数量直流稳压电源DF1731一.台数

16、字示波器TDS2002一.台万用表FLUKE15B-个面包板一块本次试验，我完成了电容测试仪的设计，实验结果满足精度要求，并且成功 测试了未知电容的数值。第一次插面包板时，我由于粗心，第二块555芯片的5端口忘了连接一个电 容，导致开场怎么调节电阻也不能准确测量电容值。 后来，通过检查线路发现了 此错误并改正后，实验就进展得很顺利了，但由于测量数据较多，还是花费了不 少时间。由于使用了滑动变阻器，数据测量变得更加准确，但教师说滑动变阻器 在使用过程中可能改变阻值，使测量不准确，所以最好的方法是测得滑动变阻器 调好的阻值后，用值最接近的色环电阻代替，这点在以后的实验过程中我会注意。实验前，我认真检查了