数显式电容测试仪设计

1 绪论1．1引言随着电子信息产业的发展以及家电的普及，我国的电容器行业得到了空前发展，从数量上、质量上、服务上、满足了电子整机及家用电器发展的需要，并带动了相关的材料行业、设备行业、仪表行业的发展，现已成为全球电容器生产大国。

从销售额来看，电容器的生产主要集中在日本、中国内地和我国台湾地区，我国已成为全球电容器产品仅次于日本的生产大国。

从数量来看，自改革开放以来，日本、韩国及我国台湾地区将电容器制造业转向中国内地，世界电子信息整机制造业在中国内地设厂，跨国公司在中国内地采购，我国已成为世界上电容器生产大国和消费大国。

国内市场整机生产所需的电容器有较大增长，我国越来越成为全球电容器消费的重要市场。

电容器行业在2006年～2010年期间存在较大的发展空间。

伴随着电容器的发展，电容测试仪行业也在不断的日益更新。

从最初单一的电容测量类仪器开始，发展至今已有很多种高、中、低档兼顾，产品走综合化、系列化之路，以满足不同用户的不同需要，既有普通大众产品，又有具国内领先水平的高新产品。

例如:DF2615D电容测试仪采用80C31单片微处理机，是专门用于大批量电容器测量的智能化仪器。

能测量电容量C、电容损耗角正切值D和电容量的％误差，并具有容量合格指示和损耗角不合格指示的分选功能，适合电容器生产厂家和使用单位测量检验使用AN2617C智能电容测量仪VFD显示，兼有LED的高清晰和LCD的多信息量的双重优势；菜单式操作，功能完善，面板简洁，方便易学；1.2课题研究的内容电容测量主要是把电容的大小通过转换用数字的形式表示出来。

一般把电容量转换成脉冲、电流或电压等。

如果用电容量转换成电流或电压量，需要用A/D转换器,价格比较贵；如果用电容量转换成脉冲，电路简单、成本较底，调试比较容易。

所以选用后者来做电容测试仪。

本课题进行了硬件的制作与实现，完成了方波发生器电路，标准脉冲电路，计数、译码、驱动电路和显示电路的设计，最后进行了硬件调试。

2 背景知识介绍2．1电容的基本的知识2．1．1电容的定义电容器，简称电容，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。

英文名称：capacitor。

用字母C表示。

电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面。

2．1．2电容器主要特性参数（1）标称电容量和允许偏差标称电容量是标志在电容器上的电容量。

电容器的基本单位是法拉(F)，但是，这个单位太大，在实地标注中很少采用。

其它单位关系如下：1F=1000mF1mF=1000μF1μF=1000nF1n=1000pF电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。

精度等级与允许误差对应关系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。

（2）额定电压在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。

（3）绝缘电阻直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻.当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量〉0.1uf时，主要取决于介质的性能，绝缘电阻越小越好。

电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。

（4）损耗电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。

各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。

在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。

(5)频率特性随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。

2．1．3电容器的型号命名与标示(1)电容器的型号命名方法国产电容器的型号一般由四部分组成（不适用于压敏、可变、真空电容器）。

依次分别代表名称、材料、分类和序号。

第一部分：名称，用字母表示，电容器用C。

第二部分：材料，用字母表示。

第三部分：分类，一般用数字表示，个别用字母表示。

第四部分：序号，用数字表示。

用字母表示产品的材料：A-钽电解、B-聚苯乙烯等非极性薄膜、C-高频陶瓷、D-铝电解、E-其它材料电解、G-合金电解、H-复合介质、I-玻璃釉、J-金属化纸、L-涤纶等极性有机薄膜、N-铌电解、O-玻璃膜、Q-漆膜、T-低频陶瓷、V-云母纸、Y-云母、Z-纸介(2)电容器容量标示1、直标法用数字和单位符号直接标出。

如1uF表示1微法，有些电容用“R”表示小数点，如R56表示0.56微法。

2、文字符号法用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。

如p10表示0.1pF,1p0表示1pF,6P8表示6.8pF, 2u2表示2.2uF.(3)色标法用色环或色点表示电容器的主要参数。

电容器的色标法与电阻相同。

电容器偏差标志符号：+100%-0--H、+100%-10%--R、+50%-10%--T、+30%-10%--Q、+50%-20%--S、+80%-20%--Z(4)数学计数法：如瓷介电容，标值272，容量就是：27X100pf=2700pf.如果标值473，即为47X1000pf=0.047uf。

（后面的2、3，都表示10的多少次方）。

又如：332=33X100pf=3300pf。

2．1．4电容器分类（1）按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器。

（2）按电解质分类：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。

（3）按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。

（4）按制造材料的不同可以分为：瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙希电容等等（5）高频旁路：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。

（6）低频旁路：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。

（7）滤波：铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。

（8）调谐：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。

（9）低耦合：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。

（10）小型电容：金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。

2．1．5电容的质量判断和电解电容极性的判别方法视电解电容器容量大小，通常选用万用表的R×10、R×100、R×1K档进行测试判断。

红、黑表笔分别接电容器的负极（每次测试前，需将电容器放电），由表针的偏摆来判断电容质量。

若表针迅速向右摆起，然后慢慢向左退回原位，一般来说电容是好的。

如果表针摆起后不再回转，说明电容器已击穿。

如果表针摆起后逐渐退回到某一位置停位，则说明电容已经漏电。

如果表针摆不起来，说明电容器电解质干涸失去容量。

有些漏电的电容器，用上述方法不易确的判断出好坏。

当电容器耐压值大于万用表内电池电压值时，根据电解电容正向充电时漏电电流小，反向充电时漏电电流大的特点，可采用R×10档，对电容器进行反向充电，观察表针停留处是否稳定（即反向漏电电流是否恒定），由此判断电容器质量，准确度较高。

黑表笔接电容器的负极，红表笔接电容器的正极，表针迅速摆起，然后逐渐退至某处停留不动，则说明电容器是好的，凡是表针在某一位置停留不稳或停留后又逐渐慢慢向右移动的电容器已经漏电，不能继续使用了。

表针一般停留并稳定在50-200K范围左右。

不知道极性的电解电容可用万用表的电阻挡测量其极性。

我们知道只有电解电容的正极接电源正（电阻挡时的黑表笔），负极接电源负（电阻挡时的红表笔），电解电容的漏电流才小（漏电阻大），反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。

测量时先假定某极为“+”极，让其与万用表的黑表笔相接，另一电极与万用表的红表笔相接，记下表针停止的刻度（表针靠左阻值大），然后将电容器放电（即将两根引线碰一下），两只表笔对调，重新进行测量。

两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。

测量时最好选用R×100、R ×1K档。

2．2电容的测量方法（1）振荡频率法----让电容置一个振荡器中，根据其它已知电路参数和实际测到的振荡频率求出电容的大小。

（2）电抗法----对电容施以一定的频率信号，之后测量串联在电容上的电阻电压大小来求出电容的大小。

（3）恒流积分法----积分电路大家应该常见到吧？充电电流的大小在单位时间内的电容电压上升量显然反映了它的电容容量大小。

（4）开尔文电桥----好象是这个名称吧。

实际上这个电桥还应该叫做桥路。

因为它与双臂电桥相比较，后者才更象桥。

开尔文电桥可以比较精确地测量出电容的大小。

（5）电抗电桥测量-----恰当的运用，也能精确地测量出电容的大小。

（6）恒流充电振荡法----这是基于采用固定电流给电容充电，达到一定电压后快速放电，如此反复，之后看这个充放电的频率就可以求出电容的大小了。

（7）衡压放电法：将电容的电压充电到一定的电平上，之后，对固定负载（如电阻）放电，测出达到一个规定电平的时间来求出电容的方法。

（8）比较法----如同上法，将电容的电压充电到一定的电平上，然后与一只已知电容的电容器并联之，一定时间后，测量这两个电容上的电压也可以求出未知电容器电容的大小。

3 数显示电容测试仪3．1工作原理参数变换电路由555定时器构成方波发生器电路，可把被测元件Cx转换成与元件参数成正比的脉宽。

然后把这具有特定脉宽的矩形作为门控信号，在脉宽时间内对一个已知周期的标准脉冲计数通过显示器就可以把脉宽（实际上是元件参数）显示出来。

总框图如图1所示图1 总框图3．2总电路图NE555与待测电容Cx构成方波发生器电路，产生待测脉冲经3脚输出，送到计数器的门控端。

石英晶体振荡器产生1MHz的标准脉冲。

两组脉冲同时输入计数器MC14553进行比较，产生的结果进入驱动器CD4511，使结果通过数码管显示出来。

总电路图如图2所示；图2 总电路图3．3单元电路设计3．3．1标准脉冲发生器标准脉冲产生的方法一般有两种，石英晶体振荡电路和555与RC组成的多谐振荡。

由于石英振荡器的Q值非常高，频率稳定性非常好，振荡频率准确、电路结构简单、频率容易调整；而555与RC组成的单稳态电路所产生的时间误差高达5%,在加上其他原因产生的误差,测量精度很难达到设计要求。