数字电容测试仪

1、1 课程设计目的在实际的电子线路的设计中经常要用到电容器，而电容器的容量值大小直接影响它在电路中的作用。电容容量的测量一般不够直观，为了方便人们对电容的直接测量，我们组通过查阅资料并结合自己所学的知识设计了一个能直接显示被测电容容量大小的数字电容测量仪。2 课程设计指标（1） 被测电容的容量在0.01F至100F范围内。（2） 设计测量量程。（3） 用3位数码管显示测量结果，测量误差小于10%。（4） 响应时间在2s内3 课程设计原理3.1 设计方案利用单稳态触发器和电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成对应脉冲的宽窄，即脉冲宽度与电容器容量大小成正比。只要把此脉冲与频率固定不变的方波即

2、时钟脉冲相连，便可得到计数脉冲，把计数脉冲传送给计数器计数，然后再给显示器显示。若时钟脉冲的频率等参数选择得当，数字显示器显示的数字便是待测电容器容量的大小。我们之所以会选择该方案是由于我们刚学到的数字电子技术书中学到了单稳态触发器的原理、用多谐振荡器产生时钟脉冲的原理，考虑到选这个方案设计比较容易，而且所需电路图及原理都比较熟悉，必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。3.2 设计原理框图多谐振荡器控制电路计数器显示器待测电容清零模块图中多谐振荡器产生时钟脉冲，控制电路将待测电容的容量值转化成相应宽度的脉冲，计数器记录这段宽度脉冲数目，并由显示器显示出来

3、，清零模块用于将计数器清零。4 设计的步骤和过程4.1 控制电路 控制电路的主要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度 Tx，下图所示为单稳态控制电路的原理图。该电路的工作原理如下：当被测电容 Cx接到电路中之后，只要接通开关 S，电源电压Vcc 经由微分电路C1、Rl和反向器，送给 555定时器的低电平触发端TRI一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，使其输出端OUT由低电平变为高电平该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数端暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1R3*Cx。然后单稳态电路又回到稳态，其输出端OUT变为低电平，从而封锁与门，计数器停止计数。可

4、见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，从而达到测量电容的要求 。该输出端输出电压波形如下图： 由于设计要求 ，Cx的变化范围为1uF100uF，且测量的时间小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999uF)时 Tx<2s，根据 Tx=1.1R3*Cx可求得 ： R3=18.2K。取R=18K。微分电路可取经验数值，取 R1=1K，R2 =10K，C1=luF。同理可计算得，Cx的变化范围为0.01uF1uF时 R3=180K。4.2 时钟脉冲发生器 由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟脉冲的产生功能电路原理图及其输

5、出波形如下图所示：振荡波形的周期为： T=tp1+tp2=0.7(R4+R5)C3其中tp1=0.7(R4+R5)C3，tp2=0.7R4C3占空比为： q=tplT=(R4+R5)(R5+2R4) 因为时钟周期T=0.7(R5+2R4) 是在忽略了555定时器THR脚的输入电流条件下得到的，而实际上THR脚有 10uA 的电流流入因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于 10uA 又因为要求 Cx =100uF时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在 2s内产生100脉冲即时钟脉冲周期应为T=20ms即：T=tpl+tp2=0.02s 如果选择占空比q=0.6，即 q=tplT=

6、0.6 由此可求得： tp1=0.6T=0.60.02s=0.012s tp2= T-tpl =(0.02-0.012)s=0.008s 取 C4=0.1uf，则 ： R5=tp20.7C=11.43K R5=tpl0.7C4-R4=5.713K 取标称值：R5=5.6K，R4=12K 最后还要根据所选电阻R4、R5的阻值，校算流过R4、R5的最小电流是否大于 10uA 从图可以看出，当C4上电压uc达到 2V 3时，流过 R4、R5的电流最小，为: I min=(Vcc-2Vcc3)(R4+R5)=95uA 振荡周期： T=0.7(R5+2R4)C4 =20.07ms 可见所选元件基本满足设

7、计要求为了调整振荡周期，R5可选用5.6K的电位器 4.3 计数和显示电路 由于计数器的计数范围为 1100，因此需要采用 3个二十进制加法计数器这里选用 3片74LS160级联起来构成所需的计数器三片74LS160和数码管连接如下图:图中开关为清零控制模块，把它打向上面为清零，打向下面计数。5 设计电路的仿真和运行结果5.1 电路的调试 重按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试计数和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，不用调整主要调试时钟脉冲发生器和控制电路.首先调试时钟脉冲发生器，使其振荡频率复合设计要求用频率计检测电路的输出端，最好用示波器监测波形调整 电位器，使输出脉冲频率

8、约为 500Hz，接着调试控制器1uF100uF档位电路图调试如下：将一个100uF的标准电容接到测试端，接通开关s，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉宽Tx=1.1R3Cx，它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时如果显示器显示的数字不是 100，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可以调节 R3再复上述步骤，经多次调整直到符合要求为止。当电路参数调试符合要求后,将一个100uF的标准电容接到测试端, 按一下开关 s,结果显示如下图:误差计算: (98-97.8)/100*100%=0.2% <10% 符合要求。0.01uF-1uF档位电路图调试如下：将一个0.01uF的标准电容接到测试端，接

9、通开关s，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉宽Tx=1.1R3Cx，它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时如果显示器显示的数字不是0.01，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可以调节 R3再复上述步骤，经多次调整直到符合要求为止。当电路参数调试符合要求后,将一个0.21uF 的标准电容接到测试端,接通开关 s,结果显示如下图:误差计算： （0.22-0.21）/0.21*100%=4.8%10 符合要求。5.2 结果及分析 经过调试，发现当被测电容容量在1uF到100uF之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01uF到1uF之间时，测量值误差较大。这是由于前者计数脉冲数目多，整体的误差就小

10、，而后者计数脉冲数目少，所以误差就大。6 结论6.1 设计过程中遇到的疑难及解决办法 在设计的过程中，各个模块的设计都很顺利，思路也很清晰，很快，模块都做好了，但是到连接总电路时，问题却来了，怎样将脉冲信号和单稳态触发器信号仪器连接到计数器端口，又怎样控制计数器清零，面对困难，我们小组一起讨论，最总决定用与门将脉冲信号和单稳态触发器信号相与，输出端连接到计数器的时钟端口，令计数器开始工作，然后用双向开关控制计数器的清零端，使其顺利清零。 6.2 课程设计心得体会历时两周的课程实习结束了，这两周的亲身经历激发了我对电子产品设计的浓厚兴趣。从任务书下发的那天开始，我就全身心投入了数字电容测量仪的设

11、计之中。首先我从网上和图书馆收集了一些关于数字电容测量仪的资料，对其原理有了比较系统的认识，而后我开始设计方案，经过我和同伴的努力，我们最终决定用单稳态触发器作时间控制回路，因为它的暂稳态有时间限制，且这个时间比较好控制和计算，加上它能利用对电容的充放电过程将电容的容量值转化为相应的脉冲宽度。接着用多谐振荡器产生时钟脉冲，将单稳态触发器和多谐振荡器连接起来，就可以将电容容量值转化为脉冲宽度，再通过计数器记录脉冲数目，由显示器显示出结果。只要多谐振荡器的频率参数选取得当，那么显示器显示的值即为待测电容的容量值。设计好了方案，我着手计算参数的值，然后在EWB软件上面模拟仿真，在几天的不断改进和尝试

12、下，我终于把电路运行出来了，那一刻我感到十分欣慰。作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然只安排在两周内进行，但并不代表它不重要，它给我们提供了一个理论联系实际的平台。通过这个平台我们能把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。实践出真知，我们不但能通过实践加强理论知识，还能从实践中学到课本上学不到的知识。作为电子信息工程，一个工科性的专业，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这次课程设计是毕业设计的缩影，通过课程设计，让我找出了自身状况与实际需要的差距，我

13、想我会在以后的学习生活中及时补充相关知识，为将来毕业求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。 这次课程设计达到了我专业学习的预期目的。在两个星期的课程设计之后，我发现自己不仅实际动手能力有了提高，我独自解决问题的能力也得到了很好的锻炼，更重要的是通过设计，激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。这次实习我收获很多，这将对我的专业学习和以后的社会工作影响深远，我感谢学院安排了这样宝贵的实习机会给我们，让我们能锻炼自我。7参考文献1、模拟电子技术基础（第三版），童诗白主编，高教出版社2、数字电子技术基础（第四版/第五版），阎石主编，高教出版社3、电子测试技术，金唯香、谢玉梅主编，湖南大学出版社4、电子技术课程设计指导，彭介华主编，高等教育出版社5、电子技术实验指导书，李国丽、朱维勇主编，中国科技