利用Multisim设计电容测量电路

一、概述

随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。

目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于NE555的RC冲放电原理。用2片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度，在这个脉冲宽度内的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计算出待测电容的大小，并且达到精确度比较高（±10%）、测量数值较为稳定，量程可控制（0.2uF—20uF）的要求，而且所设计的电路比较简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。

本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等部分组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。

二、方案论证

本设计方案采用的是基于NE555的RC充放电原理的脉冲宽度测量法，本设计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是由2片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3片

74LS160构成的计数器和2片74LS273构成的锁存器组成，显示电路由3片内部自带译码器的数码显示管（DCD_HEX）组成。

脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1所示，利用单稳态触发器在待测电容C上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度Tw，再将单稳2

态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门，与门的输出信号中脉冲宽度Tw内的脉冲个数N通过3片十进制计数器计数后输入到2片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管，数码显示管所显示的数值就是脉冲个数N。由于初始相位不定和传输的时间差等原因，第一个显示的数字并不是准确的脉冲个数N，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。

由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此，外界的温度也会对模拟元器件产生很大的影响，而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采

用本方案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响，从而提高测量准确度，适用于大多数环境。

图1 系统功能框图

本设计由于是采用计数器直接计数，经锁存器锁存后输入数码管进行显示，省去了信号直接的转换，使相对误差减小。

三、电路设计

电路设计包括了两大部分，总电路图见附录I 。考虑到实际生活中的需要，因此设计了能将日常生活用电转换成5V 的直流电，转换电路图如图2。

图2 5V 直流电流源

这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后，输出的电压为稳定的5V 直流电，将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。

第二大部分又分为三个小部分，分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以及显示电路部分。

首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器组，上面的555定时器为单稳态触发器，下面的为多谐振荡器。多谐振荡器3端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2端的输入信号。图中2C 为待测电容，接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉

V1

220 Vpk 50 Hz 0° C5U13

LM7805KC LINE

VREG COMMON

VOLTAGE

C6100uF D51B4B42

1243T1NLT_PQ_4_10

42

4140393843

冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。

图3 测量电路

单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽Tw 计算公式如下：

12ln 3Tw R C =

当R 值固定时，Tw 与2C 的大小成正比。2C 越大，在Tw 时间内通过与门的脉冲数N 就越多，数码管所显示的数字就越大。

多谐振荡器的振荡周期T 的计算公式如下：

234(2ln )2T R R C =+

考虑到设计要求中量程为0.2uF —20uF,令4C 为0.2uF 。单稳态触发器3端输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足：

12324(2ln n 32l )R C R C N R =+

经过整理得：

22341)(2ln 2/ln 3C R C N R R =+

适当的选取1R 、2R 和3R 的值，使234(2ln 2/)ln 31C R R +=，则数码管所显示的数值N 为2C 与4C 的比值。这样我们就可以直接计算出2C 的大小了。例如，当

存

端器端

连接计数

器清零端

待测电容2C 为1uF 时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。

图4 待测电容为1uF 时各输出信号波形

上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器输出信号、与门输出信号。

其次是计数锁存电路部分，本部分电路图如图5所示。

图5 计数锁存电路

U1

74LS160N

Q A 14Q B 13Q C 12Q D

11R C O

15

A 3

B 4

C 5D

6

E N P 7E N T

10

~L O A D 9~C L R

1

C L K

2

U2

74LS160N

Q A 14

Q B 13Q C 12Q D

11

R C O

15

A 3

B 4

C 5D

6

E N P 7E N T

10

~L O A D 9~C L R

1

C L K

2

U3

74LS273N

1D 3

2D 43D 74D 85D 136D 147D 178D 18~C L R

1

C L K 111Q

2

2Q 53Q 64Q 95Q 126Q 157Q 168Q 19U6

74LS160N

Q A 14Q B 13Q C 12Q D

11R C O

15

A 3

B 4

C 5D

6

E N P 7E N T

10~L O A D 9~C L R 1

C L K 2

U7

74LS273N

1D

32D 43D 74D 85D 136D 147D 178D 18~C L R 1

C L K 111Q 2

2Q 53Q 64Q 95Q 126Q 157Q 168Q 1924

22

21201998

7

6

5

4

3

2

1

30

接电源

接非门输出端接与门输出端

接单稳态输出端2931

2310

11

12

13141516171825262728

接数码管接数码管