三位数字电容表

电子线路课程设计报告设计课题：三位数字电容表

专业班级：新能源科学与工程

学生姓名：

指导教师：

设计时间：2015.7.11-7.15

常熟理工学院

物理与电子工程学院

题目三位数字电容表

一、设计任务与要求

1.使用交流220V单相供电，经整流变压产生直流电，供给整个电路工作。

2.电容表测量范围1～999 F，使用3 位数码管显示。

3.电路设有启动按钮、复位按钮。按启动按钮后，电路开始测试，测试结束后，显示待测电容值。按复位按钮，电路复位，显示值清零，准备下一次测试。参考原理框图

图1 原理框图表示

参考原理：采用间接法测量电容的容量。电容器的充电时间和其容量大小有关，容量大的电容需要的充电时间长；容量小的电容需要的充电时间短。当选定固定电阻后，充电时间就与电容容量大小成正比。利用电容这一特性，将被测电容的充电时间作为门控信号，将基准脉冲发生电路所提供的脉宽作为测量尺度，在被测电容充电时间的同时，将控制闸门打开，让计数与显示电路统计并显示输入计数器脉冲的个数，电容充电结束的同时将控制闸门关闭，计数器显示的脉冲个数即为被测电容的容量。

二、方案设计与论证

1．因为电容器的充电时间和其容量大小有关，所以可以将待测电容放入电路中，通过测量电容充电时间来测量电容值，用555定时器组成单稳态触发器，所以单稳态的高电平持续时间就是电容充电时间。

2．用555定时器组成多谐振荡器产生标准脉冲，作为单稳态发生电路所提供的脉宽的测量标准测量尺度。

3．用计数器对一个脉宽时间内的脉冲个数计数，计数器显示的脉冲个数即为被测电容的容量。

4．基本原理计算公式

t

c Tc

三、单元电路设计与参数计算

1.使用交流220V 单相供电，经整流变压产生直流电5V

图2 直流电5V

2.555定时器构成的多谐振荡器 多谐振荡器的工作原理：

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称作多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

由555定时器构成的多谐振荡器如图1（a ）所示，R1，R2和C 是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并联后接到R2和C 的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C 来不及充电，电容器两端电压Uc 为低电平，小于(1/3)Vcc ，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo 为高电平，放电管VT 截止。这时，电源经R1，R2对电容C 充电，使 电压Uc 按指数规律上升，当Uc 上升到（2/3）Vcc 时，输出Uo 为低电平，放电管VT 导通，把Uc 从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间Tph

的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=0.7（R

1＋R

2

）C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第个暂稳态，其维持时间Tpl的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝0.7R2C 随着C的放电，Uc下降，当Uc下降到（1/3）Vcc时，输出Uo为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。

根据Uc的波形图可以确定振荡周期为 T=Tpl+Tph

Tph对应充电时间 Tph=0.7（R1+R2）C

Tpl对应放电时间 Tpl=0.7R2C

振荡周期 T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2）C 振荡频率 f=1/T

图3 555多谐振荡器

3.555定时器构成的单稳态触发器

单稳态触发器的工作原理：

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图2所示。图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号Ui接在低电平触发端（2脚）

稳态时，输出Uo为低电平，即无触发器信号（Ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。在 Ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出Uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。

在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间T＝1.1RC，Uc按指数规律上升。当电容两端电压Uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出Uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。电路恢复到稳态Uo为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来，又重复上述过程。工作波形如图2（b）所示。

输出电压Uo的脉宽tw=1.1RC。由于R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值在几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟，精度可达0.1%。由图2（b）可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入心的触发脉冲（如图2（b）中的虚线所示），则脉冲对电路不起作用，电路为不可重复触发单稳触发器。

（a）单稳态触发器工作电路（b）工作波形

高电平脉宽时间T=1.1*R1*C

图4 555单稳态触发器

4．脉冲计数电路与数码显示

计数部分选用三片74LS192十进制计数器来实现计数功能。同时还需要考虑对MR清零处理，这也是部分的关键之一。

根据参考74LS192的芯片资料说明，以及查阅相关图书电路设计了如右图的电路用来实现计数功能。对于MR的清零处理，其实就是要在一个待测周期开始计数前产生一个短时间的高电平来实现清零，然后一直为低电位直到下一个周期脉冲开始为止的脉冲输入信号。