数字电容测试仪课程设计报告

1 绪论
1.1 选题背景
电阻、电容、电感是电工领域中最基本的物理量。

对于从事电气技术的工作者、生产人员，电容测量仪是不可缺少的常用仪表。

任何一种仪器、仪表在保证一定的技术指标的前提下，结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉是评价其优劣的一项综合指标。

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“储存电荷的容器”。

尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。

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。

两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。

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。

由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。

因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。

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，此次我的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。

1.2 设计要求
1.2.1 基本部分
(1) 被测电容的容量在0.01μF至100μF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20%。

1.2.2 发挥部分（选做）
(1) 另增一个测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100μF范围内。

(2) 测量误差小于10%。

2系统概述
2.1 方案的选择及可行性分析
数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。

由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是数码管显示，另一部分就是要将Cx值进行转换。

能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：
方案一：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换成数字量显示。

可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RC㏑3≈1.1RC。

从式中可以看出，当固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟着改变，由tw的宽度就可以求出电容的大小。

把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。

如果把平均值送到
A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。

但是我们对A/D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。

方案二：用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，然后测元件电流。

由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。

方案三：像测量R一样，测量电容C的最经典方法是电桥法，如图2.1所示。

只是电容C要用交流电桥测量。

电桥的平衡条件是：
Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）] =Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]
图2.1 电桥电路
通过调节阻抗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求出被测电容。

用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。

这样，电桥法不易实现自动测量。

方案四：应用基本思想：把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。

先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数—锁存—译码—显示系统就可得到电容量的数据。

其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率f是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。

因此本设计我们采用此方案。

2.2 方案论证
2.2.1 设计思路
本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也
就是标准频率。

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。

用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。

或者把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—锁存—译码显示系统就可以得到电容量的数据。

外部旋钮控制量程的选择。

用计数器控制电路控制总量程。

如果超过电容的量程，则报警并清零。

2.2.2 设计的总体框图
该方案的总体方框图如图2.2所示：
被测电容
3 单元电路设计分析
3.1 用555定时器构成的多谐振荡器
电路图及其输出波形如下图所示，其工作原理如下：
由图3.1所示，可以求得电容C1上的充电时间T1和放电时间
T2 ： T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C
T2=R2C㏑2≈0.7R2C
所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C
R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms
振荡频率 f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]≈500Hz
占空比 q= （R1+R2）／（R1+2R2）≈58.2％
图3.1 多谐振荡电路及输出波形
3.2 用555定时器构成的单稳态电路
用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图3.2所示，其工作原理如下：
接通电源瞬间，Vc=0，输出Vo=1，放电三极管T截止。

Vcc通过R给C充
电。

当Vc上升到2Vcc／3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Vo=0.同时放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Vi=1.
当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1，电路进入暂稳态。

由于Vo=1，三极管T截止，电源Vcc可通过R给C充电。

当电容C充电至Vc=2Vcc／3时电路又发生翻转，输出Vo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。

可见，暂稳态时间由RC电路参数决定。

若忽略T的饱和压降，则电容C上电压从0V上升到2Vcc／3的时间，即输出脉冲宽度tw为： tw=RC㏑3≈1.1RC
图3.2 单稳态电路及输出波形
3.3 74LS160构成的计数器
74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。

由三个71604LS160构成的计数器电路如下图所示
图3.3 计数电路
3.4 74LS273锁存器
由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。

74LS273工作原理是：MR为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输入信号变动，直至下一个上升沿到来。

这里的CLK输入由单稳态输出接反相器得到。

当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁存。

以正确显示电容值。

电路如下所示：
图3.4 锁存电路
3.5 74LS247译码器
74LS247芯片的功能即将四位二进制表示的数进行译码，以驱动共阳的七段数码管显示其值。

电路图如下所示：
图3.5 译码电路
3.6 数码管显示电路
由任务要求知，用三位数码管显示被测电容值的大小。

因为译码电路用的是74LS247，并且0.01uf-1uf档位的设计采用1-100乘以0.01，所以这里选用八段共阳数码管，当量程为0.01uf-1uf时，第二位数码管的小数点亮。

图3.6 数码管显示电路
3.7 单位显示电路
单位的显示与量程的选择一致，即当量程为0.01uf-1uf或1uf-100uf时，单位显示为UF，当量程为100pf-0.01uf时，单位显示为PF.，单位后的小数点亮表示被测电容值为显示的数值乘以100。

图3.7 单位显示电路
3.8 量程选择错误指示电路
三个量程下数码管显示的值都为1-100，当数码管显示000或是大于100的数时，指示灯亮，表明量程选择有误。

图3.8 量程选择错指示电路
4 电路总体描述及功能实现
4.1 电路参数选择
以电容值47uF为例，因为测试电容的原理是:闸门信号Tw=1.1RCx，而振荡器输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）
C*N=1.1RCx，等式两边同时约去N和Cx，那么在闸门信号闸门内有N个基准脉冲，电容值就为N(Cx)。

4.2 产品使用说明
将被测电容安装在单稳态电路中电容C3位置处，选择一个量程的开关合上，并点击运行开关。

若显示值在1-100之间，则说明量程选择正确；若显示值为000，则说明量程选择大，应调小量程；若显示值大于100，则说明量程选择太小，应调大量程。

后两种情况下，量程选择错指示灯会亮。

如果单位显示为PF，则单位后会亮一指示灯，说明被测电容值测量结果应为显示值乘以100。

4.3 安装与调试
（1）按照总电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。

本设计在proteus 软件里调试。

（2）当点击运行按钮时，555多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7
（R1+2R2）C 的方波信号。

将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。

（3）在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555单稳态触发器的输入端会不断地输入方波脉冲，由555单稳态的性质我们可以知道，当负脉冲到来时，单稳态触发器会输出为宽度为是Tw=1.1RC的正脉冲；
（4）从理论上讲，我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，因此我们用了一个74LS273做成的锁存器。

当555单稳态输出负脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273的CP脉冲输出当前的数据；
（5）根据课程设计的要求，我们设计了三个量程，分别由接在555单稳态触发器6、8脚的电阻器来完成的。

通过控制电阻的大小，可以控制输出正脉冲的宽度，即定时时间长短，间接的控制输出电容的量程，同时在输出不同的量程的时候，我们通过电路控制不同的单位显示加以区别；
（6）在此电路中我们还添加了量程选择错误指示灯。

可以通过灯的亮灭及显示值的大小来确定量程是否选择正确。

（7）在测试1-100uf电容的过程中，可能是由于电路的影响，显示的电容值在某一个范围里不停的变动，为此，我们在设计该量程时在多谢振荡器的C2电容两端并联了一个电容，以加大输出波形的周期，同时为了不使测量结果发生变化，将该量程下的单稳态电路6、8间的电阻扩大至同样的倍数。

这样设计后，显示很稳定。

调试正常后，选取了6个待测电容进行测量，数据如下表4-1所示。

其中部分仿真结果如下图所示：
图4.3.1 100pf被测电容仿真结果
图4.3.2 0.47uf被测电容仿真结果
图4.3.3 68uf被测电容仿真结果
表4-1 调试结果记录
被测电容标称值测量值测量误差
C1 100pF(101) 1*100pF 0
C2 2000pF(332) 19*100pF 5%
5 结论
5.1 总结
该数字电容测试仪完成了设计任务的基本要求和发挥部分要求，同时增加了单位显示部分及量程选择错误指示部分。

仪表具有性能可靠、精度高、操作简单，显示直观等特点。

不足之处在于当被测电容值100pf-0.01uf之间时。

测量误差较大。

这是因为设计要求用三个数码管显示，而该量程为0.0001uf-0. 01uf或者说是100pf-10000pf，设计该量程时采用显示值乘以100的方法来表示被测电容值，这样一来虽然三个量程的显示值都在1-100之间，但100pf-0.01uf档位的误差就较大了。

5.2 收获与体会
从抽到课程设计的任务到在软件中实现其功能，再到报告的撰写，这两周的时间对我们来说是受益匪浅的。

这是一次理论与实际相结合的过程，在这一过程中，我们终于能将所学的知识应用到生活实际中去。

以前学习总感觉知识与实际脱离的太远，学得再好，过不了多长时间就全忘了，到头来学了也不知道有什么用，学了也没用到实处去。

而这次课程设计，虽然我们只是在软件上实现其功能，而没有做出实物，但这也让我们充分体会到了知识的魅力，实践的乐趣。

由于我开始有自学过单片机，用过proteus软件，对一些功能模块比较熟悉，所以接到设计任务时对各部分电路有了整体的认识。

结合相关的资料，我便开始设计起电路图来。

在设计过程中，多谐振荡器中电容电阻值的选择，量程的设计及单位显示电路的设计是值得注意的。

74LS160对计数脉冲有一定的要求，同时多谐振荡器的频率也会影响测量精度。

所以多谐振荡器的电容电阻值的选择有一定的讲究。

在设计量程时，我是通过改变单稳态电路6、8引脚间的电阻值来设计的。

但最后在调试时发现，测量档位在1uf-100uf时，某些电容值的显示结果很不稳定，于是我便在在该档位下，在在多谐振荡器的C2电容间并联一个电路，以减小输出脉冲的频率，同时增大单稳态电路的定时时间以达到测量结果不变的目的。

在单位显示电路的设计过程中，刚开始我用74LS248芯片，但要在同一位数码管上根据不同的量程来显示对应的U或是P很有难度。

因为当要显示的是U(P)时，显示P(U)的电路对显示U的电路有影响，导致显示结果总是乱码。

后来我改用
74LS247，并利用高电平和低电平线与时结果是低电平来实现正确显示。

当然，在整个设计过程中并非只遇到这几个问题。

我们可能会因为一个问题而在电脑前调试好几个小时。

但这发现问题、解决问题的过程就是我们学习的过程。

只有这样，我们才能体会到成功后的喜悦，也只有这样，我们才能真正学到知识，开拓思维，提高动手能力。

在我看来，拼装出这个电路是其次，因为在网上，资料书上很有可能就有这个电路。

重要的是培养自己的设计、创新能力，解决问题的能力。

在这两周期间，同学们相互讨论，相互交流，相互学习，无疑也是一次团结合作精神的培养。

总的说来，这是一次综合能力的锻炼。

也激发了我们动手的欲望，学习的激情。

参考文献
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[4] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，2006：103—117.
[5] 毛期俭，蒋维玉，罗一静，梁燕.数字电路与逻辑设计实验及应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.
附录 A
元器件清单
12K 1 个
9K 1 个
180K 1 个
18M 1 个三输入与门 1 个双刀双掷开关 2 个三刀三掷开关 1 个LED灯 1 个四输入与非门 3 个
附录B
总电路图。