数字式电容测量仪

1、精选优质文档-倾情为你奉上数字式电容测量仪学院： 机电工程学院 专业：过程装备与控制工程班级： 姓名：学号：指导老师：时间： 2011年3月5日 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。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

2、态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入到LED数码管中显示出来目录一、测量系统的方案设计1.1、测量部分的系统方案设计1.1.1、恒压充电法测量1.1.2、恒流充电法测量1.1.3、脉冲计数法测量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1.2.2、利用译码器进行翻译二、单元电路的设计及原理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2.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理2.1.3、滤波器工作电路图及原理2.2、模拟信号的处理以及数字化显示三、系统

3、参数设定四、结论及心得体会4.1、结论4.2、心得体会参考文献附表：元器件明细表、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：。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，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： .所

4、以。恒流源的电流大小是已知的，时间和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：，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号作为单稳态触发器的触发信号。根据电容的大小来调节占空比。LM741与两个电容以及一个电阻构成

5、阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号滤波成为稳定的输出电压。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。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。将测量得出的电压信号值，输

6、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。译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二

7、进制，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。 根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电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

8、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定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现

9、多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。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

10、。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 0 电平。555定时器构成一个多谐振荡器，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，当上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:当放电结束时，T截止，将通过、

11、向电容器C充电，由上升到所需的时间为：当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：2.1.2 单稳态触发器电路图及工作原理555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：没有触发信号时处于高电平（），如果接通电源后Q=0=0，T导通，电容通过放电三极管放电，使=0，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向电容充电，当上

12、升到时，由于R=0,S=1锁存器置0，为低电平。此时放电三极管T导通，电容放电，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=0。若触发输入端施加触发信号（），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容充电，当充电至=时，电路的输出端电压由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则从零电平上升到的时间，即为输出电压的脉宽 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，精度可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可

13、以保证测量的范围能够达到100pF100uF。2.1.3 滤波器工作电路图及原理滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。 主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。 滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号 利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。 滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流分开。整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所

14、组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及型两种。就L型单节滤波器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为 XLXC=K2 ，故L型滤波器又称为K常数滤波器。倘若一滤波器的构成部分，较K常数型具有较尖锐的截止频率（即对选择性强），而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率者，称为m常数滤波器。所谓截止频率，亦即与滤波器有尖锐的频率。通带与带阻滤波器都是m常数滤波器，m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的。每一m常数滤波器的与K常数滤波器之间的关系，均由m常数决定，此常数介于01之间。当m接近零值时，截止频率的尖锐度增高，但对于

15、截止频的之衰减率将随着而减小。最合于实用的m值为0.6。至于那一频率需被截止，可调节共振臂以决定之。m常数滤波器对截止频率的衰减度，决定于共振臂的有效Q值之大小。若达K常数及m常数滤波器组成级联电路，可获得尖锐的滤波作用及良好的频率衰减。虑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可以对占空比为的信号进行平滑滤波，使最后产生出来的信号（即是图2-1-3中的 ）与被测量的呈线性关系。 测试部分所用的总的电路图如图2-1-4所示。图中的即是被测量的电容。图中的电源是测量电路使用的电

16、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显示译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以

17、表示其原来含义的电路。 根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。 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A3、A2、A1、A0之间的逻辑关系为： Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G3 A0 G9 A1 G10 A2 G11 A3 G12 G4 G5 G6 G7 G8 G1 G2

18、 A0 A1 A2 A3图2-2-1 BCD七段显示译码器7448的逻辑图&1111&1&1&1&1&1&1&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22LED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，

19、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。表22 BCD七段显示译码器的真值表数字输 入输 出A3 A2 A1 A0Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg字形01234567890 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00

20、1 1 11 0 0 01 0 0 11 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 11011121314151 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0三 系统参数设定 系统的参数决定了系

21、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： 计算可得。被测电阻在100pF100uF内产生的脉宽为0.s0.47s。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz。即2Hz取多谐振荡器中的电阻值=150K。再由公式： 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 设计结论以及心得体会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

22、精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容器测量。 4.2 心得体会 作为过程装备与控制工程的学生，虽然不需要很专业的电工技能，但掌握一定知识的课程设计很重要，尤其是电子技术方面。随着技术的快速发展，机械已经不是传统意义上的单纯机件，而是融入数字，电子的数字时代。机械设备数字化正是适应了时代的要求，满足了生产效率的极大提高的要求。我所设计的课题是数字式电容测量仪，为此我查了许多资料。我在网上查了好多资料，但是都有一些问题，有的文不对题，有的前不搭后。有时候搜出来的根本就是一些莫名其妙的东西。这让我一度很郁闷。通过这次的电子课程设计，我认识到了自己许多方面的不足：首先是课外电子电路知识的匮乏，简直

23、就是一问三不知。其次是自己以前对理论知识的学习太过肤浅，一点都不深刻。虽然考试是通过了，但是没有理解太深，几乎就没有自己的一点思考。这就直接导致了不能对理论知识灵活运用。最后这次的电子课程设计使我第一次接触了设计这类工作，让我对设计也有了一个初步的认识。在我们的日常生活中有很多与电子电路相关的，很普通很简单的设备，比如说：电子计算机、饮水机、可调亮度的台灯、电子手表等等。这些简单的设备，都有一个不简单的设计。在以后的生活中我们应该留心这些设备，多学习，多思考才能让自己更加理解理论知识，强化理论知识，才能逐渐提高自己的设计能力。此次电工电子课程设计选择的是数字式电容测量仪，因为对它感兴趣。通过搜

24、索相关文件资料，使用相关的电路设计软件，对EWB 5.0软件有所了解和掌握。虽然说这次课程设计难度还是很大的，毕竟对数字式电容测量仪也不是很了解，只是在课本上有一定的知识介绍。但时间上的充裕给了我充分分析了解数字式电容测量仪，所以才能有这个课程设计。 以前是对EWB电路设计软件一无所知的，因为从未接触过它，现在通过这次电工电子课程设计，在一定程度上掌握了它，可以开始自行绘制比较简单的电路了，这对我们装控专业的同学来说，是种莫大的收获。因为在以后的学习生活和工作中，肯定要广泛的接触电路，这对我们来说是一种很好的知识补充。另外通过这次课程设计，对数字式电容测量仪有了更深层次的了解。为期一周的电子电工课程设计很快就要结束了，回首整个过程仍感到些许紧张，但更多的是充实。一周内我查阅了大量资料，通过仔细地研究和反复演算终于完成了我的设计。学习了半年的专业课我掌握了一些电路知识的理论知识，平时的