电容测试仪设计低频课程设计

电容测试仪设计

前言

电子制作中需要用到各种各样的电容器，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“存储电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结果和原理是相同的。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。两片金属称为极板，中间的物质叫做戒指。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。

不同的电容器存储电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉（F）。但实际上，法拉是一个很不成用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）等，它们的关系是：1F=106uF=109nF=1012pF。

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，本课设就是对电容器容量的测量。

摘要：LM555是使用几位广泛的一种通用集成电路。LM555系列功能强大、使用灵活、适用围宽、可用来生产时间延迟和多种脉冲信号，因此被广泛用于各种电子产品中。本设计利用LM555构成设计一个多谐振荡器，由于其输出脉宽tw与电容C成正比，把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，在利用积分器，将电容的容量通过数字电压表的直流档直接显示，从而构成一个简易的电容器容量的测量电路。

关键词：无稳态多谐震荡器、单稳态输出脉冲、积分器

目录

一、设计目的 (1)

二、设计容要求 (1)

三、设计技术指标 (1)

四、方案比较 (1)

五、方案论证 (2)

六、主要电路设计与说明 (2)

1、芯片简介 (2)

（1）LM555 (2)

（2）LM324 (4)

2、总电路图 (5)

（1）原理图 (5)

（2）原理说明 (5)

（3）测量使用说明 (6)

七、电路搭建与调试 (6)

1、软件仿真 (6)

2、实际安装电路 (7)

3、电路调试 (7)

八、实验数据 (7)

九、实验总结与心得 (8)

十、附录 (8)

1、元器件清单 (8)

2、参考文献 (9)

一、设计目的

1、掌握电容测试仪的设计、组装与调试方法。

2、熟悉相应的规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。

二、设计容要求【1】

1、555定是电路通过查阅手册获得器件参数。

2、根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3、画出电路原理图。（元器件标准化，电路图规化）。

4、设计的电路先通过计算机仿真。

三、设计技术指标

1、测量围：1.0nF~10.0uF。

2、可以分档测量。

3、电源电压在≤±12V 电源围选择。

四、方案比较【2】

方案一：用阻抗法测R 、L 、C 有两用实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流，由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们使用的测量围很窄。

方案二：像测量R 一样，测量电容C 的最典型的方法是电桥法，如图1所示，只是电容C 要用交流电桥测量，电桥的平衡条件为

通过调节电阻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以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。

方案三【1】：利用单稳态出发装置产生于电容值成正比的门脉冲来控制通过计数器的标准技术脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。

方案四：由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为tw=RCln3=1.1RC 。从式可以看到，当R 固定时，改变电容C 则输出脉宽tw 跟着改变，由tw 的宽度就可求出电容的大小。从而通过低通滤波后测量输出电压即可得到电容大小。

)

(2)

(121x n j x j n e

Z Z e

Z Z ϕϕϕϕ++⋅⋅=⋅⋅图一

1

综上所述，本课设选择方案四来实现测量电容器的容量。

五、方案论证

1、总体设计方案（如图二）

图二

2、设计思路

本设计用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为单稳态触发器的启动脉冲，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。Tw=1.1RCx，所以tw越宽，输出的平均电流值越大，反之，越小。将输出电压信号输入到一个积分器中，将电容信号转化为电压信号，在将系数调整为1，就可以直接在电压表上读出电容容量值。

六、主要电路设计与说明

1、芯片简介

（1）LM555【3】【5】

◆功能简介

LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集

成电路。LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。

555 时基电路有双极型和CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极型。优点是输出功率大，驱动电流达200mA。而另一种CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。

◆特性简介

直接替换SE555/NE555。

定时时间从微秒级到小时级。

可工作于无稳态和单稳态两种方式。

可调整占空比。

输出端可接收和提供200mA 电流。

输出电压与TTL 电平兼容。

温度稳定性好于0.005%/℃。

◆应用围

精确定时

脉冲发生

连续定时

频率变换

脉冲宽度调制

脉冲相位调制

◆引脚说明