数字式电容测试仪的设计

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，其精确度可以达到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

2、入到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数码管第 1 页 共 23 页目录引言 . 3第1章 毕业设计指标 . 4第2章 毕业设计原理 . 42.1 设计原理框图 . 42.2 方案设计 . 42.3 模块介绍 . 52.3.1 控制器电路 . 52.3.2 时钟脉冲发生器 . 62.3.3 计数和显示电路 . 7第3章 单元电路的设计. 93.1 直流稳压电源设计 . 93.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路 . 93.1.2直流稳压电源的原理框图分析 . 93.1.3直流稳压电源特点 . 103.2 产生波形设计方案 .113.2.1 由

3、555定时器搭建多谐振荡器 .113.2.2由555定时器搭建单稳态触发器 . 12第4章 设计的步骤和过程 . 144.1 设计制作的过程 . 144.2 时钟及控制信号的关系等 . 14第5章 设计的仿真与运行结果 . 155.1 电路的调试 . 155.2 仿真测量 . 155.2.1 仿真测量实验一 . 155.2.2 仿真测量实验二 . 165.3 结果分析 . 16第6章 芯片介绍 . 176.1 555芯片功能介绍 . 176.2 74LS160芯片介绍 . 19第7章 结论 . 207.1 设计过程中遇到的困难及解决办法 . 207.2 毕业设计心得体会 . 20第8章 参考文

4、献 . 21附录 . 22附录A. 22附录B. 23第 2 页 共 23 页引言随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。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，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就

5、能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。第 3 页 共 23 页第1章 毕业设计指标设计要求：1、基本部分(1) 自制稳压电源。(2) 被测电容的容量在0.01F至100F范围内(3) 设计两个的测量量程。(4) 用3为数码管显示测量结果，测量误差小于20%。2、发挥部分(1) 至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100F范围内。(2) 测量误差小于10%。(3) 其它。第2章 毕业设计原理2.1 设计原理框图图1. 电容测量仪原理框2.2 方案设计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

6、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第 4 页 共 23 页示 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。2.3 模块介绍2.3.1 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2. 单稳态控制电路的原理图当被测电容 Cx接到电路中之后，

7、只要按一下开关 S，电源电压Vcc 经微分电路C1、R1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，可以达到测第 5 页 共 23 页量电容的要求。由于设计要求 ，Cx的变化范围为 1F999F，且测量的时间小于2s，即 Tx2s，也就是 Cx最大(999F)时 Tx2

8、s，根据 Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分电路可取经验数值，取R1=1K，R2=10K，C1=lF。2.3.2 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所示。 图3.电路原理图及其输出波形振荡波形的周期为：T=tp1+tp20.7(R3+R4)C2其中tp10.7(R3+R4)C2，tp20.7R4C2占空比为：第 6 页 共 23 页可见所选元件基本满足设计要求为了调整振荡周期，R3可选用5.6K的电位器2.3.3 计数和显示电路由于计数器的计数范围为1F999F，因此需要采用 3个二十进制加法计数器这里选用 3片7

9、4LS160级联起来构成所需的计数器一片74LS160和数码管连接如下图:第 7 页 共 23 页图4. 74LS160和数码管连接图三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图如下图：图5. 三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图第 8 页 共 23 页第3章 单元电路的设计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

10、，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直流稳压电源的原理框图分析图6. 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，整流桥选用的二极第 9 页 共 23 页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

11、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，

12、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，所以在各种电路中被广泛应用。图7. 直流稳压电源电路图第 10 页 共 23 页3.2 产生波形设计方案3.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图2-3所示，它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。图8. 多谐振荡器电路其工作原理如下：多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于Ucc ，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2 给电容C充

13、电。31随着充电的进行UC逐渐增高，但只要Ucc Uc 3123Ucc ， 输出电压23Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过Ucc 时(即U6和U2均大于等于Ucc 时)， RS触发器置 0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，32即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要Ucc Uc Ucc， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降3321第 11 页 共 23 页到略微低于Ucc 时，RS触发器置 1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充31电，又重复上述过程，电路输出便得

14、到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为：T=(R1+2R2)C0ln2工作波形如图9所示。图9. 多谐振荡器波形3.2.2由555定时器搭建单稳态触发器由555定时器构成的单稳态触发电路如图2-5所示，它可以产生占空比一定的脉波，此脉波用来控制计数。在单稳态触发电路后加反相器用来控制74273锁存计数值。单稳态触发器的工作原理如下：1稳定状态没有加触发信号时，输入ui为高电平。接通电源后，VCC经电阻R对电容C进行充电，当电容C上的电压uc不变。2触发进入暂稳态当ui由高电平变为低电平时，此时uc0，输出uo由低电平跳跃到高电平。此时，电源VCC经R对C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间内输入电压u

15、i回到高电平。3自动返回稳定状态随着C的充电，电容C上的电压uc逐渐增大。当uc上升到uc23VCC23VCCuc0，uo=0时，输出uo=0。与此同时电容C迅速放完电，时，输出uo由高电平跳跃到低电平。与此同时，C迅速放完电，uc0。电路返回稳定状态。单稳态触发器输出的脉冲宽度tW为暂稳态维持的时间（及占空比），它实际上为电第 12 页 共 23 页容C上的电压由uc0V充到VCC所需的时间，可用下式估算: 32 tw=RCln31.1RC 式中R和C为外接电阻和电容。图10. 单稳态触发电路第 13 页 共 23 页第4章 设计的步骤和过程4.1 设计制作的过程(1) 查阅资料，了解数字电

16、容测试仪的基本工作原理和工作原理电路图，把整体电路图分解成一个个单独的模块。(2) 通过查阅集成块的参考书，了解各个模块中的集成块的构造就作用，对集成块的使用方法已经集成块的输入输出端以及集成块的进制有一定得了解。(3) 通过网络，下载EWB(Electronics Workbench)软件，通过网络教程对软件的使用方法进行学习，初步学会通过该软件设计电路图。(4) 根据整体电路的要求，设计出各个部分模块的电路，通过示波器的检查，确保各个模块正常工作。(5) 把设计好的各个模块组装成整体的电路，并且根据设计指标进行调试，知道出现预期结果为止。4.2 时钟及控制信号的关系等由于利用单稳态触发器或

17、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的大小测量值用数码管显示及单位的确定，对不同的转换方法所得的结果有不同的测量方法。如将电容容量转换为电压，则可通过AD转换电路，将模拟电压转换为数字电压，再接至数码管显示。而频率的测量则可用计数器计数来实现，通过计算参数使待测电容与计数值满足某一函数关系，通过这个函数关系可表示出待测电容的大小

18、。而测脉冲宽度法事实上与测频率法相同，脉冲作为门控信号，与时钟脉冲发生器产生的固定频率相“与”，待测电容容量越大，脉冲宽度越宽，则相“与”后产生的计数脉冲越多，再按照测频率法的方法就可以测量出待测电容的容量。第 14 页 共 23 页第5章 设计的仿真与运行结果5.1 电路的调试重按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试计数和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，不用调整主要调试时钟脉冲发生器和控制器.首先调试时钟脉冲发生器，使其振荡频率复合设计要求用频率计检测电路的输出端，最好用示波器监测波形调整 电位器，使输出脉冲频率约为 500Hz，接着调试控制器将一个 100F的标准电容接到测

19、试端，按一下开关 s，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉宽Tx=1.1RCx，它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时如果显示器显示的数字不是 100，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可以调节R3再复上述步骤，经多次调整直到符合要求为止。5.2 仿真测量5.2.1 仿真测量实验一当电路参数调试符合要求后,将一个300F的标准电容接到测试端, 按一下开关 s,结果显示如下图:第 15 页 共 23 页图11.仿真图 误差计算：301-300300100=0.33%20%，符合误差在20%之内的要求5.2.2 仿真测量实验二开关3分别打开闭合一次，显示屏清零，然后在待测电容处连接一个假设电容值为521

20、F的电容，打开开关S，观察显示屏上所检测出来的数值，并与假设值比较，具体操作以后，显示如下图：图12.仿真图 误差计算：521-521521100%=0%20%，符合误差允许的范围。5.3 结果分析通过上面两个数值的测量，可以得出此数字电容测试仪的设计是正确的，可以比较第 16 页 共 23 页准确的测量出一个待测电容的电容值，并且能够将误差控制在很小的范围内。只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。经过调试，发现当被测电容容量在1F到100F之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01F到1F之间时，测量值误差较大，并且显示方面

21、也出现了一点问题。但被测电容要求在0.01F到100F之间，为此，在原电路基础上我们进行了改进，由于Tx=1.1RCx，当Cx在0.01F到1F之间时，只要将R扩大100倍，那么Tx将与Cx在1F到100F时一样，即Tx在两种情况下大小相等，于是只要增加一个小量程档，就能有效地解决这个问题。第6章 芯片介绍6.1 555芯片功能介绍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

22、具等许多领域中都得到了广泛应用。 555时基电路的电路结构和逻辑功能1.电路结构及逻辑功能图13. 555电路结构和引脚图第 17 页 共 23 页图13为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。3脚：OUT（或Vo）输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：R

23、是直接清零端。当R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：CO(或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。7脚：D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。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端

24、，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表6-1-1示。表6-1-1 555时基电路的功能表第 18 页 共 23 页6.2 74LS160芯片介绍1. 74LS160芯片引脚如图6-2所示图15. 74LS160芯片引脚图1）LD：同步置数控制端 2）CR：异步置0控制端 3）CT

25、p和CTT：计数控制端 4）D0 D3：并行数据输入端 5）Q0 Q3：输出端 6）CO：进位输出端2. 74LS160的功能表如6-2-1所示表7-2-1 74LS160的功能第7章 结论7.1 设计过程中遇到的困难及解决办法在设计的最初阶段，由于通过资料的查阅，对各个模块的电路图有了初步的了解，所以在设计的时候能够得心应手，特别在设计计数和显示电路模块的时候，设计过程比较流畅，第一天便完成了任务。但是在接下来设计控制器电路和时钟脉冲发生器电路时，遇到了一点点的小麻烦，由于设计这两个模块需要对555集成块进行连接，但是当时对555集成块理论知识的掌握不够全面，所以设计出来以后电路有问题，不能正常工作。所以我们决定先暂停设计，翻阅课本和在图书馆借来的资料，把