电容测试仪的设计

目录

1、设计指标 (3)

2、设计原理 (3)

2.1设计原理框图 (3)

2.2设计方案 (3)

2.3模块介绍 (4)

2.3.1 控制电路 (4)

2.3.2 时钟脉冲发生器 (4)

2.3.3 计数器和显示器 (6)

3、单元电路的设计 (6)

3.1多谐振荡器 (6)

3.2单稳态触发器 (8)

3.3.1整流电路采用直流稳压电源设计思路 (9)

3.3.2直流稳压电源的原理框图分析 (9)

3.3.3直流稳压电源特点 (10)

4、设计制作过程及整体电路图 (10)

4.1设计制作过程 (10)

4.2整体电路图 (11)

5、芯片介绍 (11)

5.1555芯片功能介绍 (11)

5.274LS192芯片介绍 (13)

总结 (14)

致谢 (15)

参考文献 (16)

1、设计指标

1.1 设计目的

(1) 掌握数字电容测试仪的构成、原理和设计方法。

(2) 掌握集成电路的使用方法。

1.2 基本要求

（1）电容测量范围为1000pF～10uF，输出应能直接显示其值，误差≤5%，电源电压为+5V。

（2）量程可切换，显示值能够标定。

（3）要求最终正确无误地完成全部电路设计，并具有一定先进性，对电路设计也应提出建议性意见并写出合格的课程设计说明书，圆满完成各项任务。

2、设计原理

2.1设计原理框图

图1.电容测试仪原理框图

2.2 设计方案

利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲宽窄，即控制脉冲宽度Tx 与Cx成正比。只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字N便是电容Cx的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且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。

2.3 模块介绍

2.3.1 控制电路

控制器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Tx。图2所示为单稳态控制电路的原理图。该电路的工作原理如下：

图2.单稳态控制电路原理图

当被测电容Cx接到电路中之后，只要按一下开关S，电源电压Vcc 经微分电路

C、1R和反向器，送给555定时器的低电平触发端2。一个负脉冲信号使单稳态触发

1

器由稳态变为暂稳态，其输出端3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．暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx。然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，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，可以达到测量电容的要求。

由于设计要求，Cx的变化范围为1000pF～10uF，且测量的时间小于2s，即Tx<2s，也就是Cx最大(10uF)时，Tx<2s，根据Tx=1.1RCx可求得：

R

。

取R3=180K。微分电路可取1R=1K，2R=10K，1C=l F

2.3.2 时钟脉冲发生器

这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图如图3所示：

振荡波形的周期为：

图3.由555定时电路构成的多谐振荡器 T=tp1+tp2≈0.7(R 2+R 1)C 3

其中

tp1≈ 0.7(R 2+R 1)C 2 ,tp2≈0.7R 1C 2

占空比为：

q=tp1/T=（R 2+R 1）/(R 2+2R 1)

因为时钟周期T ≈0.7(R 2+R 1) 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上 6脚有10F μ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10uF 。又因为要求 Cx =10uF 时，Tx=2s ，所以需要时钟脉冲发生器在 2s 内产生脉冲。即时钟脉冲周期应为T=2ms ．即：122T

tp tp ms =+=。

如果选择占空比q=0.6，即 q=

1tp T =0.6 由此可求得： 10.60.62 1.2tp T ms ms ==⨯=

21取2C =0.1F μ，则 ： 4R =

220.7tp C ≈11.43K 3R =120.7tp C -4R 521521100%0%20%521

-⨯=<≈5.713K ． 取标称值：3R =5.6K ，4R =12K ．

最后还要根据所选电阻3R 、4R 的阻值，校算流过3R 、4R 的最小电流是否大于

10uA 。从图可以看出，当2C 上电压c U 达到23

V 时，流过3R 、4R 的电流最小，为: m I in =2334

VCC VCC R R -+≈95uA 振荡周期：

3420.7(2) 2.07T R R C ms ≈+=

可见所选元件基本满足设计要求，为了调整振荡周期，3可选用5.6K 的电位器。

2.3.3 计数器和显示器

由于计数器的技术范围为1uF ～9999uF ，因此需要4个二——十进制加数计数器。这里用4片74LS192级联起来构成所需的计数器。四片74LS192和四个数码管的连接如下图4所示：

图4.四片74LS192和四个数码管连接的电路图

3、单元电路的设计

3.1 多谐振荡器

由555定时电路构成的多谐振荡器如图5所示，它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。

其工作原理如下：

多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C 上