课程设计（论文）数字式电容测试仪.doc

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1、 绪论 电阻、电容、电感是电工领域中最基本的物理量。对于从事电气技术的工作者、生产人员，电容测量仪是不可缺少的常用仪表。任何一种仪器、仪表在保证一定的技术指标的前提下，结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉是评价其优劣的一项综合指标。 随着科技的不断发展，人类的不断进步，在电子技术领域的发展可谓突飞猛进，然而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着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。而目前电容量的测量仪器电容测量仪的应用越来越广泛，电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，而目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。如：YD2612A/12B电容测

2、量仪，它有着良好的测试稳定性，抗冲击能力强。如：TH2615系列电容测量仪，它是一种易操作、智能化的电容测量仪，仪器价格低，测试速度快。如：多频HF2617电容测量仪，它的可靠性稳定性强，测量显示直观，适用性好。本系统设计主要采用555集成定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器等电路把被测电容的电容量转换成电压量，再把电压量通过CC7107AD转换器把电压量转换成数字量并显示，从而实现电容测量。 由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容

3、元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。 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，此次我的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。 目录1. 系统概述.3 1.1设计指标.3 1.2 方案论证.3 1.3 方案选择.4 1.4 设计原理.52.模块设计.6 2.1 控制器电路.6 2.2 时钟脉冲发生器.7 2.3 计数和显示电路.83.单元电路设计.10 3.1 直流稳压电源设计.10 3.2 产生波形设计方案.11 3.3 数码管显示电路.13 3.4 单位显示电路.14 3.5 量程选择错误指示电路.154. 芯片简介.16 4.

4、1 555芯片.16 4.2 74LS160芯片介绍.175.电路总体描述及功能实现.19 5.1 电路参数选择.19 5.2 产品使用说明.19 5.3 安装与调试.196.结论.226.1 总结.22 6.2 收获与体会.22附录.24 附录 A.24 附录B.25参考文献.261.系统概述 1.1设计指标 (1) 自制稳压电源。 (2) 被测电容的容量在100pF至10000pF范围内。 (3) 设计两个测量量程。 (4) 用4为数码管显示测量结果，测量误差小于1%。 1.2 方案论证 数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由

5、给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是数码管显示，另一部分就是要将Cx值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：方案一： 把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换成数字量显 示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RC31.1RC。从式中可以看出，当固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟着改变，由tw的宽度就可以求出电容的 大小。把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到A/D转

6、换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对A/D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。方案二： 用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。方案三： 像测量R一样，测量电容C的最经典方法是电桥法，如图1.1所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件是： Z1*Zn*expj（1+n） =Z2*Zx*expj（2+x） 图1.1 电桥电路 通过调节阻抗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求出被测电容。用这种方法测量，调节电

7、阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案四： 应用基本思想：把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数锁存译码显示系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率f是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读

8、数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。1.3 方案选择 本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就 是标准频率。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。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。或者把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数锁存译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。如果超过电容的量程，则报警并清零。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

9、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。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。1.4 设计原理 1.3.1原理框图如图1.2 图1.2 电容测量仪原理框图2. 模块设计 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2.1所示为单稳态控制

10、电路的原理图该电路的工作原理如下：图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 经微分电路、和反向器，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 1999，且测量的时间

11、小于2s，即 Tx2s，也就是 Cx最大(999)时 Tx2s，根据 Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分电路可取经验数值，取=1K，=10K，=l。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。电路原理图如图 2.2所示。图2.2 电路原理图振荡波形的周期为： 其中，占空比为： 因为时钟周期 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上 6脚有10的电流流入因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10。又因为要求 Cx =999时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在 2s内产生 999脉冲即时钟脉冲周期应为T=2ms即：

12、 如果选择占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，则 ： = 11.43K =-5.713K 取标称值：=5.6K，=12K 最后还要根据所选电阻、的阻值，校算流过、的最小电流是否大于 10uA 从图可以看出，当上电压达到时，流过、的电流最小，为: =95uA 振荡周期： 可见所选元件基本满足设计要求为了调整振荡周期，可选用5.6K的电位器2.3 计数和显示电路由于计数器的计数范围为1999，因此需要采用 3个二十进制加法计数器这里选用 3片74LS160级联起来构成所需的计数器一片74LS160和数码管连接如下图:图2.3 74LS160和数码管连接图三片74LS16

13、0和三个数码管连接出来的显示图如下图：图2.4 三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图 3.单元电路设计 3.1 直流稳压电源设计 3.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路 （1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。 （2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。 （3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。 （4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。 3.1.2直流

14、稳压电源的原理框图分析220V变压电路整流电路滤波电路稳压电路接负载图3.1. 直流稳压电源框图采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。3.1.3直流稳压电源特

15、点采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。从电路中我们可看出，此电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与T2e点的电位进行比较（由于DZ1的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有T2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制T1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压稳定，Rp是一个可变阻器，调整它就可改变A点的电位（即改变取样值）由于T2e点的变化，T2c点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可变

16、，所以在各种电路中被广泛应用。图3.2 直流稳压电源电路图3.2 产生波形设计方案 3.2.1用555定时器构成的多谐振荡器 电路图及输出波形如下图所示，其工作原理如下： 由图3所示，可以求得电容C1上的充电时间T1和放电时间 T2 : T1=（R1+R2）C20.7（R1+R2）CT2=R2C20.7R2C所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C20.7（R1+2R2）CR1=4.7k，R2=12k，T2ms振荡频率 f=1T1.44（R1+2R2）C500Hz占空比 q= （R1+R2）（R1+2R2）58.2 图3.3 多谐振荡电路 图3.4 输出波形3.2.2用555定时

17、器构成的单稳态电路 用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图3.5及3.6所示，其工作原理如下：接通电源瞬间，Vc=0，输出Vo=1，放电三极管T截止。Vcc通过R给C充电。当Vc上升到2Vcc3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Vo=0.同时放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Vi=1.当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1，电路进入暂稳态。由于Vo=1，三极管T截止，电源Vcc可通过R给C充电。当电容C充电至Vc=2Vcc3时电路又发生翻转，输出Vo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由RC电路参数决定。若忽略T的

18、饱和压降，则电容C上电压从0V上升到2Vcc3的时间，即输出脉冲宽度tw为： tw=RC31.1RC 图 3.5 图3.6 单稳态电路及输出波形 3.3 数码管显示电路由任务要求知，用数码管显示被测电容值的大小。因为译码电路用的是74LS247，并且100pf-10000pf档位的设计采用1-100乘以100，所以这里选用八段共阳数码管。数码管显示电路如下： 图3.7 数码管显示电路3.4 单位显示电路 单位的显示与量程的选择一致，即当量程为0.01uf-1uf或1uf-100uf时，单位显示为UF，当量程为100pf-0.01uf时，单位显示为PF.，单位后的小数点亮表示被测电容值为显示的数

19、值乘以100。 图3.8 单位显示电路3.5 量程选择错误指示电路 三个量程下数码管显示的值都为1-100，当数码管显示000或是大于100的数时，指示灯亮，表明量程选择有误。 图3.9 量程选择错指示电路4、芯片简介 4.1 555芯片 555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。 图 4.1 功能介绍：555 定时器的功能主要由两个比较器决

20、定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。其结构如图4.1它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端TR。3脚

21、：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为低电平的情况下，555时基电路的功能表如表4-1所示。

22、表4-1 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端TRv0放电管T(V)功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零4.2 74LS160芯片介绍 4.2.1 74LS160芯片引脚如图4.2所示 图4.2 74LS160芯片引脚图1）：同步置数控制端2）：异步置0控制端3）和：计数控制端4）：并行数据输入端5）：输出端6）CO：进位输出端4.2.2 74LS160的功能表如4-2所示 表4-2 74LS160的功能输 入输 出说 明 CP CO0 0 0 0 0 0异步置01 0 1 1 1 1 计 数1 1 0 保 持1 1 0

23、 保 持 05、 电路总体描述及功能实现 5.1 电路参数选择 以电容值47uF为例，因为测试电容的原理是:闸门信号Tw=1.1RCx，而振荡器输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）C*N=1.1RCx，等式两边同时约去N和Cx，那么在闸门信号闸门内有N个基准脉冲，电容值就为N(Cx)。 5.2 产品使用说明 将被测电容安装在单稳态电路中电容C3位置处，选择一个量程的开关合上，并点击运行开关。若显示值在1-100之间，则说明量程选择正确；若显示值为000，则说明量程选择大，应调小量程；若显示值大于100，则说明量程选择太小，应调大量程。后两种情况

24、下，量程选择错指示灯会亮。如果单位显示为PF，则单位后会亮一指示灯，说明被测电容值测量结果应为显示值乘以100。 5.3 安装与调试 （1）按照总电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。本设计在proteus软件里调试。 （2）当点击运行按钮时，555多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7（R1+2R2）C 的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。 （3）在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555单稳态触发器的输入端会不断地输入方波脉冲，由555单稳态的性质我们可以知道，当负脉冲到来时，单稳态触发器会输

25、出为宽度为是Tw=1.1RC的正脉冲； （4）从理论上讲，我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，因此我们用了一个74LS273做成的锁存器。当555单稳态输出负脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273的CP脉冲输出当前的数据； （5）根据课程设计的要求，我们设计了三个量程，分别由接在555单稳态触发器6、8脚的电阻器来完成的。通过控制电阻的大小，可以控制输出正脉冲的宽度，即定

26、时时间长短，间接的控制输出电容的量程，同时在输出不同的量程的时候，我们通过电路控制不同的单位显示加以区别； （6）在此电路中我们还添加了量程选择错误指示灯。可以通过灯的亮灭及显示值的大小来确定量程是否选择正确。 （7）在测试100-10000pf电容的过程中，可能是由于电路的影响，显示的电容值在某一个范围里不停的变动，为此，我们在设计该量程时在多谢振荡器的C2电容两端并联了一个电容，以加大输出波形的周期，同时为了不使测量结果发生变化，将该量程下的单稳态电路6、8间的电阻扩大至同样的倍数。这样设计后，显示很稳定。调试正常后，选取了6个待测电容进行测量，数据如下表5-1所示。其中部分仿真结果如下图

27、所示： 图5.1 100pf被测电容仿真结果 图5.2 0.47uf被测电容仿真结果 图5.3 68uf被测电容仿真结果表5-1 调试结果记录被测电容标称值测量值测量误差C1100pF(101)1*100pF0C22000pF(332)19*100pF5%C30.01uF(103)0.01uF0C40.47uF(333)0.47uF0C51uF(684)1uF0C668uF68uF0 6、结论 6.1 总结 该数字电容测试仪完成了设计任务的基本要求和发挥部分要求，同时增加了单位显示部分及量程选择错误指示部分。仪表具有性能可靠、精度高、操作简单，显示直观等特点。不足之处在于当被测电容值100pf

28、-0.01uf之间时。测量误差较大。这是因为设计要求用四个数码管显示，而该量程为0.0001uf-0. 01uf或者说是100pf-10000pf，设计该量程时采用显示值乘以100的方法来表示被测电容值，这样一来虽然四个量程的显示值都在1-100之间，但100pf-0.01uf档位的误差就较大了。 6.2 收获与体会 从抽到课程设计的任务到在软件中实现其功能，再到报告的撰写，这几周的时间对我们来说是受益匪浅的。 这是一次理论与实际相结合的过程，在这一过程中，我们终于能将所学的知识应用到生活实际中去。以前学习总感觉知识与实际脱离的太远，学得再好，过不了多长时间就全忘了，到头来学了也不知道有什么用

29、，学了也没用到实处去。而这次课程设计，虽然我们只是在软件上实现其功能，而没有做出实物，但这也让我们充分体会到了知识的魅力，实践的乐趣。 由于我开始有自学过单片机，用过proteus软件，对一些功能模块比较熟悉，所以接到设计任务时对各部分电路有了整体的认识。结合相关的资料，我便开始设计起电路图来。在设计过程中，多谐振荡器中电容电阻值的选择，量程的设计及单位显示电路的设计是值得注意的。74LS160对计数脉冲有一定的要求，同时多谐振荡器的频率也会影响测量精度。所以多谐振荡器的电容电阻值的选择有一定的讲究。在设计量程时，我是通过改变单稳态电路6、8引脚间的电阻值来设计的。但最后在调试时发现，测量档位

30、在1uf-100uf时，某些电容值的显示结果很不稳定，于是我便在在该档位下，在在多谐振荡器的C2电容间并联一个电路，以减小输出脉冲的频率，同时增大单稳态电路的定时时间以达到测量结果不变的目的。在单位显示电路的设计过程中，刚开始我用74LS248芯片，但要在同一位数码管上根据不同的量程来显示对应的U或是P很有难度。因为当要显示的是U(P)时，显示P(U)的电路对显示U的电路有影响，导致显示结果总是乱码。后来我改用74LS247，并利用高电平和低电平线与时结果是低电平来实现正确显示。 当然，在整个设计过程中并非只遇到这几个问题。我们可能会因为一个问题而在电脑前调试好几个小时。但这发现问题、解决问题

31、的过程就是我们学习的过程。只有这样，我们才能体会到成功后的喜悦，也只有这样，我们才能真正学到知识，开拓思维，提高动手能力。在我看来，拼装出这个电路是其次，因为在网上，资料书上很有可能就有这个电路。重要的是培养自己的设计、创新能力，解决问题的能力。 在这几周期间，同学们相互讨论，相互交流，相互学习，无疑也是一次团结合作精神的培养。 总的说来，这是一次综合能力的锻炼。也激发了我们动手的欲望，学习的激情。 附录附录 A元器件清单元器件名称大 小数 量555芯片 2 片74LS160芯片3 片74LS247 5 片74LS273 2 片7404 25片数码管4 个电容0.1uF2 个0.4uF1 个0

32、.01uF1 个电阻4.7K1 个12K1 个9K1 个180K1 个18M1 个三输入与门1 个双刀双掷开关2 个三刀三掷开关 1 个LED灯1 个四输入与非门3 个附录B总电路图 参考文献1 阎石.数字电子技术基础（第四版/第五版）M. 北京：高等教育出版社， 2006：174-184，278-298,489-4972 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006：1129.3 金唯香，谢玉梅电子测试技术M.长沙：湖南大学出版社，2008.4 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，2006：103117.5 毛期俭，蒋维玉，罗一静，梁燕.数字电路与逻辑设计实验及应用M.北京：人民邮电出版社，2006.