毕业设计：数字式电容测量仪的设计

1、摘要本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容Cx。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容Cx值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压vo与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将vo输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入

2、到LED数码管中显示出来关键词：电容，555定时器，滤波器，线性，译码器，LED数码管目录一、测量系统的方案设计31.1、测量部分的系统方案设计31.1.1、恒亚充电法测量31.1.2、恒流充电法测量31.1.3、脉冲计数法测量31.2、测量信号数字化系统方案选择31.2.1、利用单片机进行编程翻译41.2.2、利用译码器进行翻译4二、单元电路的设计及原理42.1、 电容值测量电路及原理42.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理62.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理72.1.3、滤波器工作电路图及原理82.2、模拟信号的处理以及数字化显示9三、系统参数设定10四、结论及谢词114.1、结论1

3、14.2、谢词11 参考文献12附表：元器件明细表13一 系统方案设计1.1 测量部分的系统方案设计1.1.1:恒压充电法测量。用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后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。测量所使用的原始公式是：C=idt。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测du量，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。1.1.2：恒流充电法测量。用恒流源对电容充电，此时电容的容量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压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是： C=qit.q=i

4、t.所以U=。恒流源的电流大小是已知的，时间和cu电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。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。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。1.1.3：用脉冲计数法测量电容。由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f1.43，这个频率可以自己选择电阻和电(R1+2R2)C容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容Cx构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号vo1作为单稳态触发器的触发信号。根据电容Cx

5、的大小来调节占空比Tw1.1RCx。LM741与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号vo2滤波成为稳定的输出电压vo。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法1.2 测量信号数字化系统方案选择1.2.1：利用单片机进行编程翻译。将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计

6、成本将大大提高很不经济，且测量环境要求较高。1.2.2：利用译码器进行翻译。将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。二 单元电路的设计及原理此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1 电容值测量电路及原理2.1.1 多谐振荡器电路图及工作原理555定时器构成一个多谐振荡

7、器，其电路图如图2-1-1所示：图2-1-1 555定时器构成多谐振荡器其电路工作原理是：接通电源后，电容C被充电，当vc上升到2VCC时，使vo3为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，vc下降。当vc下降到VCC时，vo翻转为高电平。电容器充放电所需时间3为:tpL=R2Cln20.7R2C当放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，vc由到VCC上升32VCC所需的时间为：tpH=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C 32V当上升到CC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的3输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：f=2.1

8、.2 单稳态触发器电路图及工作原理 11.43 tpL+tpH(R1+2R2)C555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2（a）所示。其简化电路如图2-1-2（b）所示：图2-1-2（a）555定时器构成第三稳态触发器电路图2-1-2（b）555定时器构成单稳态触发器的简化电路其工作原理是：没有触发信号时v1处于高电平（v1VCC），如果接通3电源后Q=0vo=0，T导通，电容通过放电三极管放电，使vc=0，vo保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容Cx充电，当vc上升到2VCC时，由于R=0,S=1锁存器置0，vo为低电平。此时放电3三

9、极管T导通，电容Cx放电，vo保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态vo=0。若触发输入端施加触发信号（v1VCC），电路的输出状态由低电平跳变3为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容Cx充电，当Cx充电至vc=2VCC时，电路的输出端电压vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，3于是电容Cx放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则vc从零电平上升到压vo的脉宽twtw=RC 1.R1Cxln3x2VCC的时间，即为输出电3通常R的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可

10、以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可以保证测量的范围能够达到100pF100uF。2.1.3 率波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容有源滤波器。其电路结构如图2-1-3所示。图2-1-3 LM741组成的阻容滤波器其工作原理是LM741可以对占空比为tw的信号vo进行平滑滤波，使最后产生出来的信号（即是图2-1-3中的 ）与被测量的Cx呈线性关系。2.1.4 滤波器工作电路图及原理测试部分所用的总的电路图如图2-1-4所示。图中的Cx即是被测量的电容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为1518伏特之间。图2-1-4 测量电路总图2.2 模拟信号的处理以及数字化

11、显示在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的 BCD码送入LED数码管中，显示出来。其电路结构如图2-2-1图2.2给出BCD七段显示译码器7448的逻辑图。如果不考虑逻辑图中由G1G4组成的附加控制电路的影响（即G3和G4的输出为高电平），则YaYg与YaYbYcA3、A2、A1、A0之间的逻辑关系为：YdYeYfYg=A3A2A1A0+A3A1+A2A0=A3A1+A2A1A0+A2A1A0=A3A2+A2A1A0=A2A1A0+A2A1A0+A2A1A0 =A2A1+A0=A3A2A0+A2A1+A1A0=A3A2A1+A2A1A00123图2-2-1 BC

12、D七段显示译码器7448的逻辑图根据BCD七段显示译码器的逻辑关系式和逻辑图可列出真值表如表22 LED数码管的构造和显示原理：LED数码管分为共阳极与共阴极两种，如图222（a）所示，内部结构如图222（b）（c）所示。ag代表7个笔段的驱动端，亦称笔段电极。DP是小数点。第3脚与第8脚内部连通，+代表公共阳极，-表示公共阴极。对于共阳极LED数码管（如图222（a）,（b）所示），将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接供电平时可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，-端接低电平时才

13、能发光。LED数码管的特点：1. 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。2. 发光相应时间极短（0.1us），高频特性好，单色性好，亮度高。3. 体积小，重量轻，抗冲击性好。4. 寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。5. 成本低。三 系统参数设定系统的参数决定了系统测量的范围在触发器中，本设计在单稳态触发器中的电阻值取为47K, 由公式：tw=RCxln31.1RCx计算可得。被测电阻在100pF100uF内产生的脉宽为0.000047s0.47s。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz。即f2Hz取多谐振荡器中的电阻值R1=R2=15

14、0K。再由公式：f=11.43 tpL+tpH(R1+2R2)C计算可得多谐振荡器中电容可以取为1.5uF。在数字显示电路中，因为是使用了7448译码器译码，则相应的LED数码管选为共阴极数码管。其他元器件的取值以及相应的规格详见附录四 设计结论以及谢词4.1 设计结论本设计主要应用于100pF100uF电容器的测量。设计中应用了单稳态触发器，多谐振荡器，滤波器，译码器，LED数码管显示器等等。测量比较精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容器测量。4.2 谢词此次毕业设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用 EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩

15、，积极查阅资料，并且一遍又一遍的重复实践，直到我期望的结果实现。事实也证明我的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我带来了成功的喜悦！通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次设计的成功不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力！通过这次的电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：能够充分利用书籍和网络资源查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对 protel 99、和 EWB等仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要。在这过程中，当我遇到些不能解决的问题时，我及时查阅资料以及向同学