数字式电容测试仪的设计

数字式电容测试仪的设计

目录

摘要 ................................................................................... 综述 .................................................. 错误!未定义书签。

1 方案设计与分析 (2)

1.1恒压充电法测量 (2)

1.2恒流充电法测量 (2)

1.3脉冲计数法测量 (2)

2 电路设计框图及功能描述 (3)

2.1 电路设计框图 (3)

2.2 电路设计功能描述 (3)

3 电路原理设计及参数计算 (4)

3.1电路原理设计 (4)

3.2单元电路设计与参数计算 (4)

3.2.1控制器电路 (4)

3.2.2时钟脉冲发生器 (5)

3.2.3计数和显示电路 (6)

4 单元电路仿真波形及调试 (8)

4.1多谐振荡器 (8)

4.2单稳态触发器 (9)

4.2.1稳定状态 (9)

4.2.2暂稳态状态 (9)

4.2.3 自动回复状态 (9)

4.3电路原理图与仿真结果显示 (10)

4.3.1电路原理图 (10)

4.3.2仿真结果显示 (11)

5课程设计体会 (14)

参考文献 (15)

综述

本设计主要运用数字电子技术基础，在通过对设计要求的分析后选择设计方案，此设计题目为了复习和巩固已学过的数电与模电理论知识和操作技能，掌握数电各种芯片的特性与作用，学会用仿真软件进行程序设计和电路分析。学习和训练查阅各种技术资料，编制相关的专业技术文件的基本技能。

根据本次课程任务相关要求，本设计分为三部分，第一脉冲信号的产生，第二由测量电容构成单稳态触发器产生的脉宽，第三计数译码器与数码管的配合使用。

在日常的电路工程或者是电路实验中，电容是一种最常见的云器件，实际应用中，对电容的电容值的精确度要求也很高。在实际操作中，对电容的测量存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，就能直接在屏幕中显示电容的容值，方便在以后实验中对电容的使用。

孙浩锋：数字式电容测试仪

1 方案设计与分析

1.1恒压充电法测量

用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容充电，然后和、、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。由于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。

1.2恒流充电法测量

用恒流源对电容充电，此时电容的容值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容比较，实现电容测量。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。弹药使用恒流源，恒流源的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求。

1.3脉冲计数法测量

由555定时器两个电阻和一个电容构成的多谢振荡电路，产生较稳定的振荡频率。再由一个555定时器和一个电阻以及的一个电容构成单稳态触发器，并将上述多谢振荡电路产生的振荡信号作为单稳态触发器的触发信号，此方法测量比较精确，并且容易调节所测电容值的范围。

综上述的三种方法，我选择第三种。

辽宁工程技术大学电子技术课程设计

2 电路设计框图及功能描述

2.1电路设计框图

2.2电路设计功能描述

脉冲产生电路采用由555定时器改接的多谐振荡器，多谐振荡器产生固定频率的脉冲，用来给74160计数译码器提供计数脉冲，脉冲个数控制电路采用由555定时器改接的单稳态触发器，利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx 严格 与 Cx 成正比。因此，只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示，这个时侯，如果时钟脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示器显示的数字 N 便是 Cx 的大小

孙浩锋：数字式电容测试仪

3 电路原理设计及参数计算

本设计分为三个量程，分别为100pf-999pf、1nf-999nf、1uf-100uf,下述单元电路均以量程1uf-100uf为基准

3.1电路原理设计

利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx严格与 Cx成正比．只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示．如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字 N便是 Cx的大小。3.2单元电路设计与参数计算

3.2.1控制器电路

控制器的主要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度Tx．图3-2-1所示为单稳态控制电路的原理图．该电路的工作原理如下：

图3-2-1 单稳态控制电路的原理图当被测电容 Cx接到电路中之后，只要按一下开关 S，电源电压Vcc送给 555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平．该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数．暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx．然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而

封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比．如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。

由于设计要求，Cx的变化范围为 100p F~100μF，设测量的时间Tx为2s左右，也就根据 Tx=1.1RCx可求得：

R=T（Ln3*Cx)=18.182k (3-2-1) 取R=18k

实际Tx=Ln3*Cx*R=1.9775s

3.2.2 时钟脉冲发生器

这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图3-2-2所示

图3-2-2 电路原理图及其输出波形由图3-2-2求的电容C2的充电时间T1和放电时间T2各为

T1=(R1+R2)*C2*Ln2 (3-2-2) T2=R2*C2*Ln2 (3-2-3) 故振荡波形的周期为

T=T1+T2=(R1+2R2)*C2*Ln2 (3-2-4) 振荡频率为