利用Multisim设计电容测量电路

一、概述

随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。

目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于NE555的RC冲放电原理。用2片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度，在这个脉冲宽度内的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计算出待测电容的大小，并且达到精确度比较高（±10%）、测量数值较为稳定，量程可控制（0.2uF—20uF）的要求，而且所设计的电路比较简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。

本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等部分组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。二、方案论证

本设计方案采用的是基于NE555的RC充放电原理的脉冲宽度测量法，本设计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是由2片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3片

74LS160构成的计数器和2片74LS273构成的锁存器组成，显示电路由3片内部自带译码器的数码显示管（DCD_HEX）组成。

脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1所示，利用单稳态触发器在待测电容C上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度Tw，再将单稳2

态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门，与门的输出信号中脉冲宽度Tw内的脉冲个数N通过3片十进制计数器计数后输入到2片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管，数码显示管所显示的数值就是脉冲个数N。由于初始相位不定和传输的时间差等原因，第一个显示的数字并不是准确的脉冲个数N，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。

由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此，外界的温度也会对模拟元器件产生很大的影响，而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采

用本方案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响，从而提高测量准确度，适用于大多数环境。

图1 系统功能框图

本设计由于是采用计数器直接计数，经锁存器锁存后输入数码管进行显示，省去了信号直接的转换，使相对误差减小。

三、电路设计

电路设计包括了两大部分，总电路图见附录I 。考虑到实际生活中的需要，因此设计了能将日常生活用电转换成5V 的直流电，转换电路图如图2。

图2 5V 直流电流源

这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后，输出的电压为稳定的5V 直流电，将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。

V1

220 Vpk 50 Hz 0° C5

U13

LM7805KC

LINE

VREG

COMMON

VOLTAGE

C6

100uF

D5

1B4B42

1

2

4

3

T1

NLT_PQ_4_10

42

41

40

39

38

43

第二大部分又分为三个小部分，分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以及显示电路部分。

首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐

振荡器组，

上面的555定时器为单稳态触发器，下面的为多谐振荡器。多谐振荡器3端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2端的输入信号。图中2C 为

待测电容，接入到单稳态触发器中。由于电容

的

充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。

存

端

器端

连接计数

器清零端

图3 测量电路

单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽Tw 计算公式如下：

12ln 3Tw R C =

当R 值固定时，Tw 与2C 的大小成正比。2C 越大，在Tw 时间内通过与门的脉冲数N 就越多，数码管所显示的数字就越大。

多谐振荡器的振荡周期T 的计算公式如下：

234(2ln )2T R R C =+

考虑到设计要求中量程为0.2uF —20uF,令4C 为0.2uF 。单稳态触发器3端输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足：

12324(2ln n 32l )R C R C N R =+

经过整理得：

22341)(2ln 2/ln 3C R C N R R =+

适当的选取1R 、2R 和3R 的值，使234(2ln 2/)ln 31C R R +=，则数码管所显示的数值N 为2C 与4C 的比值。这样我们就可以直接计算出2C 的大小了。例如，当待测电容2C 为1uF 时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。