电容测试仪设计低频

电容测试仪设计
前言
电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。

与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。

顾名思义，电容器就是“存储电荷的容器”。

尽管电容器品种繁多，但它们的基本结果和原理是相同
的。

两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。

两片金属称为极板，中间的物质叫做戒指。

电容器也分为容量固定的与容量可变的。

但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。

不同的电容器存储电荷的能力也不相同。

规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。

电容的基本单位为法拉（F）。

但实际上，法拉是一个很不成用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）等，它们的关系是：1F=106uF=109nF=1012pF。

电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本课设就是对电容器容量的测量。

摘要：LM555是使用几位广泛的一种通用集成电路。

LM555系列功能强大、使用灵活、适用范围宽、可用来生产时间延迟和多种脉冲信号，因此被广泛用于各种电子产品中。

本设计利用LM555构成设计一个多谐振荡器，由于其输出脉宽tw与电容C成正比，把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，在利用积分器，将电容的容量通过数字电压表的直流档直接显示，从而构成一个简易的电容器容量的测量电路。

关键词：无稳态多谐震荡器、单稳态输出脉冲、积分器
目录
一、设计目的 (1)
二、设计内容要求 (1)
三、设计技术指标 (1)
四、方案比较 (1)
五、方案论证 (2)
六、主要电路设计与说明 (2)
1、芯片简介 (2)
（1）LM555 (2)
（2）LM324 (4)
2、总电路图 (5)
（1）原理图 (5)
（2）原理说明 (5)
（3）测量使用说明 (6)
七、电路搭建与调试 (6)
1、软件仿真 (6)
2、实际安装电路 (7)
3、电路调试 (7)
八、实验数据 (7)
九、实验总结与心得 (8)
十、附录 (8)
1、元器件清单 (8)
2、参考文献 (9)
一、设计目的
1、掌握电容测试仪的设计、组装与调试方法。

2、熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。

二、设计内容要求【1】
1、555定是电路通过查阅手册获得器件参数。

2、根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3、画出电路原理图。

（元器件标准化，电路图规范化）。

4、设计的电路先通过计算机仿真。

三、设计技术指标
1、测量范围：1.0nF~10.0uF 。

2、可以分档测量。

3、电源电压在≤±12V 电源范围内选择。

四、方案比较【2】
方案一：用阻抗法测R 、L 、C 有两用实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流，由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们使用的测量范围很窄。

方案二：像测量R 一样，测量电容C 的最典型的方法是电桥法，如图1所示，只是电容C 要用交流电桥测量，电桥的平衡条件为
通过调节电阻Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。

根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。

用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。

方案三【1】：利用单稳态出发装置产生于电容值成正比的门脉冲来控制通过
计数器的标准技术脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。

方案四：由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为tw=RCln3=1.1RC 。

从式可以看到，当R 固定时，
)
(2)
(121x n j x j n e
Z Z e
Z Z ϕϕϕϕ++⋅⋅=⋅⋅图一
1
图二
改变电容C 则输出脉宽tw 跟着改变，由tw 的宽度就可求出电容的大小。

从而通过低通滤波后测量输出电压即可得到电容大小。

综上所述，本课设选择方案四来实现测量电容器的容量。

五、方案论证
1、总体设计方案（如图二）
2、设计思路
本设计用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为单稳态触发器的启动脉冲，同时把待测电容C 转换成宽度为tw 的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw 与电容C 成正比。

Tw=1.1RCx ，所以tw 越宽，输出的平均电流值越大，反之，越小。

将输出电压信号输入到一个积分器中，将电容信号转化为电压信号，在将系数调整为1，就可以直接在电压表上读出电容容量值。

六、主要电路设计与说明
1、芯片简介
（1）LM555【3】【5】 ◆功能简介
LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。

我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。

LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。

555 时基电路有双极型和 CMOS 型两种。

LM555/LM555C 系列属于双极型。

优点是输出功率大，驱动电流达 200mA 。

而另一种 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。

◆特性简介
直接替换 SE555/NE555。

2
定时时间从微秒级到小时级。

可工作于无稳态和单稳态两种方式。

可调整占空比。

输出端可接收和提供 200mA 电流。

输出电压与 TTL 电平兼容。

温度稳定性好于 0.005%/℃。

◆应用范围
精确定时
脉冲发生
连续定时
频率变换
脉冲宽度调制
脉冲相位调制
◆引脚说明
引脚编号符号功能说明
1 GND 地线
2 TR 触发
3 OUT 输出
4 RES 复位
5 CV 控制电压
6 TH 阀值
7 DIS 放电
8 VCC 电源
◆电路特点
LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。

其中 6 脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。

2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入。

3 脚为输出端（OUT），有0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。

7 脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。

4 脚为复位端（R），叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为低电平。

5 脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。

8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND）。

一般可以把 LM555 电路等效成一个大放电开关的 R-S 触发器。

这个特
殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端 R，要求高电平；
3 触发端（TR）可看成是置位端 S，低电平有效。

它只有一个输出端 OUT，
OUT 可等效成触发器的 Q 端。

放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反 Q端控制：反 Q=1 时 DIS 端接地；反
Q=0 时 DIS 端悬空。

此外这个触发器还有复位端 R ，控制电压端 CV ，电源端 VCC 和接地端 GND 。

这个特殊的 R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端 R 即阀值端 TH 要求高电平，而置位端 S 即触发端 TR 则要求低电平。

（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当 CV 端不接控制电压是，对 TH （R ）端来讲，> 2/3VCC 是高电平 1，< 2/3VCC 是低电平 0；而对 TR （S ）端来讲，> 1/3VCC 是高电平 1，< 1/3VCC 是低电平 0。

如果在控制端 CV 加上控制电压 VC ，这时上触发电平就变成 VC
值，而下触发电平则变成 1/2VC 。

可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。

（如表1）
（2）LM324【4】
LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。

可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V 或+16V.
LM324的特点： ● 短跑保护输出 ● 真差动输入级
● 可单电源工作：3V-32V
● 低偏置电流：最大100nA （LM324A ） ● 每封装含四个运算放大器。

● 具有内部补偿的功能。

● 共模范围扩展到负电源 ● 行业标准的引脚排列 ● 输入端具有静电保护功能 LM324引脚图（图三） 2、总电路图
图三
4
（1）原理如图四
图四
（2）原理说明【6】
如上图所示：LM555-1，R1，R3，C2组成无稳态多谢振荡器，
2
31)(44
.1C R R f +=
振荡频率为160Hz 。

用LM555-1输出的固定周期触发
LM555-2，则单稳态输出的脉宽与被测电容Cx 的容量大小成正比，且tw=1.1RCx 。

所以将LM555-2输出的电压信号输入到一个由LM324及电容构成
的积分器中，根据⎰-=t
s dt u RC u 0
01
，把电容信号转化为电压信号，再将系数调整为1，就可以直接在电压表上读出电容容量值。

设置四个档位测量电容值，理论上，470K Ω—⨯1nF 档，47k Ω—⨯10nF 档,4.7k Ω—⨯100nF 档，470Ω—⨯1uF 档，方便读数。

（3）测量使用说明
通过multisim 软件仿真发现，在与四个档位相对应的各测量档位中，若被测量电容值小于4，则输出数据不准确，且读出的数据在4左右，说明电路需
5
要改进。

由于本人能力有限，并没有想到很好的电路改进方案使得可以直接测量出小于4nF（40nF、400nF、4uF）的值，仅以并联上相应电容4nF、40nF、400nF、4uF（近似，分别设为x1,x2,x3,x4）来解决。

具体测量使用步骤如下：
a)拿到一个未知大小的电容后，从最低档位（⨯1nF）开始测量，若所示
数值10
≥，则换下一档位（⨯10nF），测量，依次类推，直至读数<10为止。

确定好电容所在的档位设为m（可为⨯1nF档、⨯10nF档、
⨯100nF档、⨯1uF档）。

b)若读数≥5，则Cx=示数⨯档位。

c)若读数<5，将被测电容与相应档位的辅助电容相并联，在该档位测量总
电容值，则Cx=（示数-x）⨯档位。

七、搭建路与调试
1、软件仿真
利用multisim软件仿真原理图，在1nF—1uF范围内，仿真波形（如图五）正确，测量出的任意电容值与其真实值相差误差在5%以内，
图五
2、实际安装电路
分级连接电路，每一级连好后看是否能正常工作：
6 （1）第一级555电路，安插好后，检测发现每个元器件型号参数正确且没有短路，上电，用示波器观察波形，发现脉冲波形有少许失真，重新整理导线
后，失真消失。

（2）第二级555电路，与第一级连好后，用示波器观察波形，发现第一级波形正常却检测不到第二级波形。

断电，用函数信号发生器取代第一级电路启动第二级555，正常工作。

所以问题出现在两级连接处，发现一跟导线插错了，使两级断开了，重新连好后，电路工作正常，波形正常。

（3）第三级LM324连上后，电路工作正常，波形正常，待测电容值改变，输出电压随之改变。

3、电路调试
（1）档位选择处电阻
由于各个电阻的阻值并不像标示出来的一样准确，且导线间亦存在电阻，因此为使测量结果误差<5%，需对各个档位选择处的电阻值进行调试。

根据公式可知，若测量结果比真实值偏大，则需减小档位选择处的电阻值，反之，需增大电阻值。

最终档位电阻值分别为420k Ω、45k Ω、4.1k Ω、420Ω。

（2）辅助电容
由于实验室电容种类有限，所以辅助电容大多为几个电容的组合，最终，选定了5.5nF ，47nF ，430nF ，4.7uF 四个辅助电容。

八、实验数据
Cx(标示值)所处档位
C2C1C 精度5.5nF 1nF 5.5 5.67 5.67nF 3.09%6.8nF 1nF 5.5 6.62 6.62nF 3.09%22nF 10nF 4.7 6.9822.8nF 3.63%47nF 10nF 4.7 4.646nF 0.85%100nF 100nF 4.3 5.34104nF 4.00%330nF 100nF 4.37.73343nF 3.94%660nF 100nF 4.3 6.65665nF 0.76%1uF 1000nF 4.7 5.73 1.03uF 3.00%4.7uF
1000nF
4.7
4.87
4.87uF
3.62%
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
其中，C2为辅助电容大小，C1为电压表示数，C 分为两种情况：C=C1 ⨯
档位或C=（C1-C2）⨯ 档位，具体算法详见测量使用说明。

九、实验总结与心得
表二 7
本设计完成了题目所给的设计任务，设计了一各电容测试仪，电路性能可靠，测量误差在允许的范围内，虽然美中不足遇到数值小于4的电容测量起来比较麻烦，但本设计基本是成功的。

回顾此次低频课程设计，可谓是困难重重。

从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，我的确学到很多东西，这不仅可以巩固了以前所学过的知识，更增强了我对电子设计的浓厚兴趣。

通过本次实践，我认识到自己诸多缺点：时常粗枝大叶的忽略细节，课设准备阶段，我是按照数码显示设计的本次课设，结果课设开始的第一天，忽然发现要求用电压表显示数值，只好又重新设计显示电路；在调试过程中，缺少耐性，又不够细心。

同时，我也意识到，自己所学知识十分有限，对已经学过的知识理解又不够深刻，掌握得不够牢固。

本次课设结束了，我一定将基本知识打牢，多多学习，理论联系实践，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

最后，特别感谢给予我大力支持与帮助的老师和同学，相信没有你们的帮助，我很难顺利的完成本次课设。

十、附录
1、元器件清单
2、参考文献
[1]张姗姗.低频电子线路实验. 大连：大连海事大学出版社，2010.3.
[2]傅丰林. 低频电子线路. 北京：高教出版社，2008.1.
[3]方建中.电子线路综合实验P141-P145. 浙江：浙江大学出版社，2007.9.
[4]刘鸣.电子线路综合设计实验教程P105-P108. 天津：天津大学出版社，2008.2.
[5]赵文博. 新型集成电路速查手册. 北京：人民邮电出版社，2006.1.
[6]杨刚、周群. 电子线路设计与实践. 北京：电子工业出版社，2002.2
9。