简易数字式电容测试仪设计

沙皮狗工作室 目录目录 一 设计要求 2 二 方案选择及电路的工作原理 2 三 单元电路设计计算与元器件的选择 2 四 设计的具体实现 3 1 系统概述 3 2 单元电路设计 仿真与分析 6 a 单稳态触发器 6 b 多谐振荡器 8 c 计数器 9 3 电路的安装与调试 10 五 心得体会及建议 11 六 附录 12 七 参考文献 15 沙皮狗工作室 简易数字式电容测试仪设计报告 一 设计要求 设计和实现一个简易数字式电容测试仪 电容表 1 被测电容范围 1000PF 1nF 10uF 10000nF 2 测试误差 VCC 使 555 定时器 高触发 VO 跳转为低电平 放电管 T 导通 电容器经 T 放电 VC 迅速降为 0V 这时 VTR 1 VTH 0 555 定时器恢复 保持 态 4 高电平脉冲的脉宽 TW 当 VO 输出高电平时 放电管 T 截止 电容器开 始充电 在电容器上的电压 VCC 这段时间 VO 一直是高电平 因此 脉 冲宽度即是由电容器 C 开始充电至 VC VCC 的这段暂稳态时间 沙皮狗工作室 脉冲宽度计算公式 Tw 1 1 R RW C b 多谐振荡器 实现单元 NE555 原理介绍 用 555 定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图 2 所示 其工作原理如 下 当接通电源 Vcc后 电容 C 上的初始电压为 0V 比较器 C1和 C2输出为 1 和 0 使 Uo 1 放电管 T 截止 电源通过 R1 R2向 C 充电 Uc上升至 2Vcc 3 时 RS 触发器被复位 使 Uo 0 T 导通 电容 C 通过 R2到地放电 Uc开始下 降 当 Uc降到 Vcc 3 时 输出 Uo又翻回到 1 状态 放电管 T 截止 电容 C 又 开始充电 如此周而复始 就可在 3 脚输出矩形波信号 由图 2 b 所示 Uc将在 Vcc 3 和 2Vcc 3 之间变化 因而可以求得电 图图 2 由由 555 构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 2 6 VCCRD O 555 3 vI2 I1 v 84 a b v 7 R R VCC 1 2 C 15 0 01 F C1 vC P 2 1 C 3 V VCC v CC 3 t vO t O O ttt CC V 012 TT T 12 0 沙皮狗工作室 容 C 上的充电时间 T1和放电时间 T2 T1 R1 R2 Cln2 0 7 R1 R2 C T2 R2Cln2 0 7R2C 所以输出波形的周期为 T T1 T2 R1 2R2 Cln2 0 7 R1 2R2 C 振荡频率 f 1 T 1 44 R1 2R2 C 占空比 q R1 R2 R1 2R2 50 c 计数器 实现单元 CD40110 原理介绍 40110 为十进制可逆计数器 锁存器 译码器 驱动器 具有加减计数 计数器 状 态锁存 七段显示译码输出等功能 40110 有 2 个计数时钟输入端 CPU 和 CPD 分别用作加计数时钟输入和减 计数时 钟输入 由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑 因此当一个时钟输入 端计数工 作时 另一个时钟输入端可以是任意状态 40110 的进位输出 CO 和借位输出 BO 一般为高电平 当计数器从 0 9 时 BO 输出负脉冲 从 9 0 时 CO 输出负脉冲 在多片级联时 只需要将 CO 和 BO 分别接至下级 40110 的 CPU 和 CPD 端 就可组成多位计数器 沙皮狗工作室 图图 3 40110 管脚图管脚图 图图 4 40110 真值表真值表 3 电路的安装与调试 电路板经打孔后很多焊盘掉落 为方便打孔 在腐蚀电路板之后没有立刻 将表面墨粉磨去 打孔后虽小心处理 打孔边缘铜皮仍有毛刺 磨砂时易被勾 沙皮狗工作室 住而致焊盘处铜皮掉落 另外孔径过小 腐蚀时间过长也会照成这个后果 由 于焊盘脱落 后续的上焊出现了问题 焊得很难看 调试时也发现电路不工作 的原因多源于此 松香水挥发后表面疙瘩不平 松香水涂的时候赶时间 没有仔细涂 一下 子涂了很多 并且没有平放在静处 如果少涂一些 应当可以改善该问题 同一条线路上的输出电压不同 可能是电磁干扰 也可能是接触不良 电 磁干扰的可能性很小 但是仔细观察电路线也没有看出有铜线断路 或者焊盘 虚焊 最终用导线依着铜线焊了一转 问题就解决了 因此应该是铜线断路了 可能是铜线本身的问题 波形输出不稳定 人体触碰到电路的任何一端电路就会相对稳定 最后查 出都是由于虚焊导致的 将虚焊处理后 电路便工作正常了 电容测试值不准确 由于用于控制波形的 555 电路本身并不是十分精确的 电路中的电阻 电容值均与理论值有较大偏差 由于波形间的影响是线性的 因此只要控制其中一个电阻或者电容连续变化 便可以找到一个准确工作点 同时 我们采用并联电容的方式来给测量电路换挡 这时 由于电容的值与理 论值并不相符 我们是通过调电阻来使电路符合要求 因此 在其中一个档位 中 我们将电阻调到最适合后 如果换一个档位 此时因为前后电容并不严格 满足倍数关系 原来调整好的状态便不再成立 这样 在一个档位测量正确的 情况下 在另一个档位测量就会有误差 这是我们设计的电路的一个缺陷 在一个档位的情况下 我们的电容测量误差可以减小到 5 以内 以台式万 用表的测量值为标准 我们知道 除非两条直线重合 否则 两条直线会存在 一个斜率差 这会导致准确测量点只可能有一个 就是两直线相交的地方 沿 相交的两边 测量的误差会逐渐增大 这个误差是无法避免的 因为指导我们 的理论公式中的脉宽与实际脉宽并不严格对应 五 心得体会及建议 此次电路设计花费了很多功夫 从最初的模电 数电知识复习 到元器件 资料的理解 再到原理图绘制 原理否定 重新设计原理图 最后确定方案 从 PCB 绘制 电路板制作 焊接 到最后的调试 成功显示 我们付出了很多 但是最终得到的电路的成功是令人满意和喜悦的 在这忙碌的几周时间里 最 值得肯定的是对已学过的理论知识的巩固 虽然这样一个小项目所涉及的理论 并不是很多 对于本专业知识的掌握却有很大帮助 比较可惜的是限于时间 我们此次项目少有涉及模电的知识 比如在电平转换时为了避免模拟电路可能 导致的不稳定而带来的调试麻烦 直接采用了逻辑运算 IC 另外 同样由于时 间限制 没有进一步改良改进电路 不得不说是一个遗憾 沙皮狗工作室 六 附录 元器件明细表 名称参考值个数单位 电容0 01uF10个 1nF1个 10nF1个 100nF2个 电阻 2k1个 1k2个 8 2k1个 10k1个 10M1个 电位器5k1个 40110 2个 555 2个