电容测试仪课程设计

电容测试仪课程设计

一、内容摘要

本实验使用两块555芯片和一块324芯片设计了一个电容测试仪，该电容测试仪分为四个量程，可以测从到的电容。555芯片的作用分别是构成了多谐振荡器和单稳态触发器。324芯片中的一个放大器构成了积分电路模块。整个电路实现了将电容容值通过数字电压表的直流档直接读出来的功能。

关键词：555芯片，324芯片，电容测试仪

二、设计任务

本课题要求利用LM555设计一个测量电容器容量的电路，电容的容量值通过数字电压表的直流档直接显示。

三、技术指标

1．熟悉电路的工作原理。

2．电容测量范围：~。

3．可以分档测量。

4．电源电压在±

≤12V电源范围内选择。

四、设计要求

1．根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

2．画出电路原理图。（元器件标准化，电路图规范化）

3．设计的电路先通过计算机仿真。

4．555定时电路通过查阅手册获得器件参数。

五、实验要求

1．根据技术指标确定测试项目、测试方法和步骤。

2．确定实验所用仪器。

3．作出记录数据的表格。

4．完成实验。

六、电路工作原理

集成定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，输入信号自引脚6和引脚2输入，输出信号至引脚3输出。引脚4是复位端，当其为0，

555输出低电平，平时4端开路或接V

cc

。引脚5是控制电压端，当其外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一滤波电容，以消除外界来的干扰，并确保参考电平的稳定。当芯片内部三极管导通时，将给接于引脚7的电容提供低阻放电通路。

整个电路分为三个部分：

第一部分：555定时器构成多谐振荡器。5端口连接10nf电容，起滤波作用。

将端口6和端口2连在一起，作为输入信号V

i

的输入端。在电路接通电源时，

由于电容C

1还未充电，所以V

c

(即6端口和2端口)为低电平，电路输出(即3端

口)为高电平。555芯片内部的三极管截止，V

cc 通过电阻(R

1

+R

2

)对电容C

1

充电，

电路进入暂稳态。

在暂稳态期间，随着电容C

1的充电，V

c

电位不断升高，当V

c

≥V

3

2

cc

时，电

路输出(即3端口)反转为低电平，电路发生一次自动翻转。

与此同时，555芯片内部的三极管导通，电容C

1

放电，电路进入另一暂稳态。

在这一暂稳态期间，随着电容C

1的放电，使V

c

电位逐步下降。当V

c

下降至V

c

≤V

3

1

cc

时，使电路输出(即3端口)翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，重

复上述电容C

1

的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。其工作波形如图一所示。

图1 自激多谐振荡器工作波形

由上述分析，在电容充电时，暂稳态的持续时间为

t w1=(R 1+R 2)C 1

在电容放电时，暂稳态持续时间为

t w2=2C

因此，电路输出矩形脉冲的周期为

T= t w1+ t w2=((R 1+2R 2)C 1

振荡频率为

f = / [( R 1 +2 R 2) C 1]

第二部分：555定时器构成单稳态触发器。4端口接高电平V cc 。以2端口做输入触发端，V i 的下降沿触发，将芯片内部三极管的集电极输出7端通过换量程的电阻接V cc ，构成反相器。反相器输出端7接待测电容C x 到地，同时7端口和6端口连接在一起。这样，构成积分型单稳态触发器，其工作波形如图2所示。

V 32cc V 3

1cc V O

t w2

图2 单稳态触发器工作波形

开始，输入信号V i =V cc ，所以输出高电平。电源V cc 通过调量程的电阻对待测

电容充电，使6端口电位上升。当其充电至大于V 3

2

cc 时，输出V o 为低电平。同

时，待测电容C x 放电，最后放电至0，这是稳定状态。

当V i 输入信号下降沿到达时，V i =0，使输出为高电平。电路受触发发生一次翻转。

与此同时，电路进入暂稳态。由于C x 的充电，使6端口电位逐渐上升。当

其大于V 32

cc 时，电路输出为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态结束。同时，

待测电容很快放电至0，电路恢复到稳定状态。

由上分析可见，暂稳态的持续时间主要取决于外接调量程电阻和待测电容，不难求出输出脉冲的宽度t w 为

t w =RCln

RC V V V cc

cc cc

1.13

2=-

V i

V c

V o

所以t w 越宽，输出的平均电流值越大，反之，则小。

第三部分：由LM324AN 中的放大器组成积分器，将单稳态触发器输出的脉冲信号输入到积分器中，输出电压值与脉冲电压的关系为

o 0

1

d =-

⎰

t

s u u t

RC

通过积分，输出的电压为一稳定值，选择适当的电阻值，可以使待测电容值的大小直接从数字电压表的直流档读出来。

七、电路原理图

本电容测试电路原理图如图3所示

图3 电容测试仪电路

八、仿真测试及仿真数据

测~的电容值，选择470KΩ档; 测~的电容值，选择47 KΩ档； 测~的电容值，选择 KΩ档； 测~的电容值，选择470 Ω档。

注：实际仿真测试时，由于接上四脚开关使数据不准确，所以并没有连接四