数字式电容测量仪设计方案

本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容x C 。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容x C 值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压o v 与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将o v 输入到7448译码器中翻译成BCD 码，输入到LED 数码管中显示出来

关键词：电容，555定时器，滤波器，线性，译码器，LED 数码管

一、测量系统的方案设计 (3)

1.1、测量部分的系统方案设计 (3)

1.1.1、恒亚充电法测量 (3)

1.1.2、恒流充电法测量 (3)

1.1.3、脉冲计数法测量 (3)

1.2、测量信号数字化系统方案选择 (3)

1.2.1、利用单片机进行编程翻译 (4)

1.2.2、利用译码器进行翻译 (4)

二、单元电路的设计及原理 (4)

2.1、电容值测量电路及原理 (4)

2.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理 (6)

2.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理 (7)

2.1.3、滤波器工作电路图及原理 (8)

2.2、模拟信号的处理以及数字化显示 (9)

三、系统参数设定 (10)

四、结论及谢词 (11)

4.1、结论 (11)

4.2、谢词 (11)

参考文献··································································12附表：元器件明细

表 (13)

一 系统方案设计

1.1 测量部分的系统方案设计

1.1.1:恒压充电法测量。

用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：t u

i d C d ⨯=。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。1.1.2：恒流充电法测量。

用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用AD 或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是： q C u =.q i t =⨯.所以i t U c

⨯=。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。1.1.3：用脉冲计数法测量电容。

由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f ≈121.43(2)R R C

+，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容x C 构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号1o v 作为单稳态触发器的触发信号。根据电容x C 的大小来调节占空比 1.1w x T RC ≈。LM741与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号2o v 滤波成为稳定的输出电压o v 。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围<只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法

1.2 测量信号数字化系统方案选择

1.2.1：利用单片机进行编程翻译。

将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED 数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计成本将大大提高很不经济，且测量环境要求较高。1.2.2：利用译码器进行翻译。

将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED 数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。

二 单元电路的设计及原理

此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1 电容值测量电路及原理

2.1.1多谐振荡器电路图及工作原理

555定时器构成一个多谐振荡器，其电路图如图2-1-1所示：

图2-1-1 555定时器构成多谐振荡器

其电路工作原理是：接通电源后，电容C 被充电，当c v 上升到23CC V 时，使o v 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C 通过2R 和T 放电，c v 下降。当c v 下降到3

CC V 时，o v 翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:22ln 20.7pL t R C R C =≈当放电结束时，T 截止，CC V 将通过1R 、2R 向电容器C 充电，c v 由3CC V 上升到23

CC V 所需的时间为：1212()ln 20.7()pH t R R C R R C =+≈+ 当上升到23

CC V 时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：121 1.43(2)pL pH f t t R R C =

≈++2.1.2 单稳态触发器电路图及工作原理

555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2