电容测试仪低频课程设计报告

1、-PAGE . z. . . . word . .电容测试仪设计：*：*电容测试仪设计前言电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。顾名思义，电容器就是“存储电荷的容器。尽管电容器品种繁多，但它们的根本结果和原理是一样的。两片相距很近的金属中间被*物质固体、气体或液体所隔开，就构成了电容器。两片金属称为极板，中间的物质叫做戒指。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。不同的电容器存储电荷的能力也不一样。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电

2、容的根本单位为法拉F。但实际上，法拉是一个很不成用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法F、纳法nF、皮法pF等，它们的关系是：1F=106F=109nF=1012pF。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，本课设就是对电容器容量的测量。摘要：LM555是使用几位广泛的一种通用集成电路。LM555系列功能强大、使用灵活、适用围宽、可用来生产时间延迟和多种脉冲信号，因此被广泛用于各种电子产品中。本设计利用LM555构成设计一个多谐振荡器，由于其输出脉宽tw与电容C成正比，把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，在利用积分器，将电容的容量通过数字电压表的

3、直流档直接显示，从而构成一个简易的电容器容量的测量电路。关键词：无稳态多谐震荡器、单稳态输出脉冲、积分器二、设计任务 本课题要求利用LM555设计一个测量电容器容量的电路，电容的容量值通过数字电压表的直流档直接显示。三、技术指标1熟悉电路的工作原理。2电容测量围：1.0nF10.0F。3可以分档测量。4电源电压在12V电源围选择。四、设计要求1根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。2画出电路原理图。元器件标准化，电路图规化3设计的电路先通过计算机仿真。4555定时电路通过查阅手册获得器件参数。五、实验要求 1根据技术指标确定测试工程、测试方法和步骤。 2确定实验所用仪器。 3作出记

4、录数据的表格。 4完成实验。六、电路工作原理集成定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，输入信号自引脚6和引脚2输入，输出信号至引脚3输出。引脚4是复位端，当其为0，555输出低电平，平时4端开路或接Vcc。引脚5是控制电压端，当其外接一个输入电压，即改变了比拟器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一滤波电容，以消除外界来的干扰，并确保参考电平的稳定。当芯片部三极管导通时，将给接于引脚7的电容提供低阻放电通路。整个电路分为三个局部：第一局部：555定时器构成多谐振荡器。5端口连接10nf电容，起滤波作用。将端口6和端口2连在一起，作为输入信号Vi的输

5、入端。在电路接通电源时，由于电容C1还未充电，所以Vc(即6端口和2端口)为低电平，电路输出(即3端口)为高电平。555芯片部的三极管截止，Vcc通过电阻(R1+R2)对电容C1充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间，随着电容C1的充电，Vc电位不断升高，当Vccc时，电路输出(即3端口)反转为低电平，电路发生一次自动翻转。与此同时，555芯片部的三极管导通，电容C1放电，电路进入另一暂稳态。在这一暂稳态期间，随着电容C1的放电，使Vc电位逐步下降。当Vc下降至Vccc时，使电路输出(即3端口)翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，重复上述电容C1的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。其工作波

6、形如图一所示。tcccc00VOttw2tw1图1 自激多谐振荡器工作波形由上述分析，在电容充电时，暂稳态的持续时间为tw1=0.7(R1+R2)C1在电容放电时，暂稳态持续时间为tw2=0.7R2C1因此，电路输出矩形脉冲的周期为T= tw1+ tw2=0.7(R1+2R2)C1振荡频率为f = 1.44 / ( R1 +2 R2) C1第二局部：555定时器构成单稳态触发器。4端口接高电平Vcc。以2端口做输入触发端，Vi的下降沿触发，将芯片部三极管的集电极输出7端通过换量程的电阻接Vcc，构成反相器。反相器输出端7接待测电容C*到地，同时7端口和6端口连接在一起。这样，构成积分型单稳态触

7、发器，其工作波形如图2所示。Vi0tVc0tccccVo0图2 单稳态触发器工作波形开场，输入信号Vi=Vcc，所以输出高电平。电源Vcc通过调量程的电阻对待测电容充电，使6端口电位上升。当其充电至大于cc时，输出Vo为低电平。同时，待测电容C*放电，最后放电至0，这是稳定状态。当Vi输入信号下降沿到达时，Vi=0，使输出为高电平。电路受触发发生一次翻转。与此同时，电路进入暂稳态。由于C*的充电，使6端口电位逐渐上升。当其大于cc时，电路输出为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态完毕。同时，待测电容很快放电至0，电路恢复到稳定状态。由上分析可见，暂稳态的持续时间主要取决于外接调量程电阻和待测电容

8、，不难求出输出脉冲的宽度tw为tw=RCln所以tw越宽，输出的平均电流值越大，反之，则小。第三局部：由LM324AN中的放大器组成积分器，将单稳态触发器输出的脉冲信号输入到积分器中，输出电压值与脉冲电压的关系为通过积分，输出的电压为一稳定值，选择适当的电阻值，可以使待测电容值的大小直接从数字电压表的直流档读出来。七、电路原理图本电容测试电路原理图如图3所示图3 电容测试仪电路八、仿真测试及仿真数据测1.0nf10.0nf的电容值，选择470K档;测10.0nf100.0nf的电容值，选择47 K档；测100.0nf1000.0nf的电容值，选择4.7 K档；测1.0f10.0f的电容值，选择

9、470 档。表1 仿真数据测量围C*/nf理论值R*档位C/nf仿真测量值相对误差1nf10nf3.2470K3.1730.84%1nf10nf6.8470 K6.7490.75%10nf100nf3247K31.511.53%10nf100nf6847 K67.680.47%100nf1f3204.7 K328.332.60%100nF1f6804.7 K653.9nf0.92%1f10f320047031062.94%1f10f680047065583.56%注：实际仿真测试时，由于接上四脚开关使数据不准确，所以并没有连接四脚开关，而是直接接该量程电阻测的，小于4时接的并联的电容同理。图4

10、：仿真波形九、实际测试及实际数据本电路在测量电容时，由于电路本身设计的缺陷，每档电容值首数字在4以下的测量就不准确了(如量程在10.0nf至100.0nf之间时，10.0nf40.0nf的电容值就测不准确了)，需要并联一较大电容才能准确测量。所以为了实际中在不知电容值大小的情况下能准确定位其测量档位及电容值，我采取了如下方法：当被测电容接入电路后，先选择最小档测量，如果满偏，则换上一档，直至不满偏，证明是该档电容，假设测出来的电压值在6以下或6左右，(因为数值在1左右的电容值有的测出来等于6左右,而其他数值在4以下的电容测量值都不超过6,所以选择该数作为是否并联电容再测量的分界点)则并联一电容

11、，使其数值不超过10并大于6，用测得的数值减去并联的电容的值，就是待测电容的值。假设值不在六以下，则测出来的电容值是多少就读多少。由于每档都是4以下的值测不准，所以理论上我想选择用电压值显示为4时的电容值来并联测不准的电容，以便准确判断该电阻是否是所测量程之的电容，好决定是否换更大的档测量它。我每档选择的并联电容值示之如下：1nf10nf档位： C4=4nf10nf100nf档位： C5=40nf100nf1f档位： C6=400nf1f10f档位： C7=4f由于实验室元器件有限，所以电阻R3、R4、R5、R6得到分别选择有四个电阻串联得到，既：R3=200k2+50k+20k=470k；R

12、4=20k2+5k+2k=47k；R5=2k2+500+200=4.7k；R6=2002+50=450。同时，局部不能直接提供的电容C1、C4、C5、C6、C7也选择分别由既有电容并联得到，既：C1=1033=30nf；C4=1024=4nf；C5=1034=40nf；C6=1044=400nf；C7=1054=4f。表2，实际测量数据：测量围C*/nf理论值R*档位C/nf实际测量值相对误差1nf10nf3.4470K3.472.05%1nf10nf6.8470 K6.671.91%10nf100nf2247K22.31.36%10nf100nf6647 K63.93.18%100nf1f3

13、304.7 K3203.03%100nF1f6604.7 K6681.21%1f10f3000450029202.67%1f10f600045058802.00%教师在检查过程中，将330nf电容作为待测电容，进展测量。将电路准备好后，J1处断开状态，S1接电阻470K，从最小量程测起，此时电压表示数超过10V，即所选量程过小。为简化实验步骤，直接连接了4.7K电阻，并将J1闭合，S2接并联电容400nf，电压表示数为7.20V，所以，待测电容的测量值为320nf。数据相对误差为3.03%，在允许误差围，说明测试成功。十、实验总结本次试验，我完成了电容测试仪的设计，实验结果满足精度要求，并且成

14、功测试了未知电容的数值。实验过程中，由于对电路原理图理解不够透彻，导致面包板上元器件排列不够合理，还使多用了导线，还使操作变得复杂，加上操作生疏，结果实验电路虽符合原理，但不能测出准确值。经过仔细检查后，我重新连接了整个电路，元器件摆放更加条理清晰，且减少了导线的使用。连接完成后仔细检查，没有漏连、短路、断路的元器件。然后接通电源，发现仍不能测出数值。于是，对照仿真电路，用万用表直流电压档测量各节点电压，发现面包板有断路。用导线将断路的面包板连接好后，成功测出第一个准确数值。由理论电路搬到实际电路中来的时候，肯定会产生误差，因为导线会有电阻，电容电阻值也不一定是刚好的那个值，仪器也会有误差，所以，要通过改变一些电阻值来到达理想的实验效果，调试过程中要耐心且细心，