数字式电容测量仪

专业综合设计报告设计题目：数字式电容测量仪

专业班级：2011级电子1班

小组成员：徐睿昀

指导教师：李丹丹

完成日期：2014年11月11日

数字式电容测量仪设计

一、设计任务与要求

1.1 基本部分

1.被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内；

2.设计两个的测量量程；

3.用3为数码管显示测量结果，测量误差小于20%。

1.2 发挥部分（选做）

1.自制稳压电源；

2.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100μF范围内；

3.测量误差小于10%。

二、方案设计与论证

2.1设计方案

数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是

数码管显示，另一部分就是要将C

x

值进行转换。

能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：

方案一：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换成数字量显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RC㏑3≈1.1RC。从式中可以看出，当固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟

着改变，由tw的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V

o

取平均值，

由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则V

o 的平均值也不同，由V

o

的平均值大小可以得

到电容C的大小。如果把平均值送到A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对A/D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。

方案二：用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测

量范围很窄。[1]

方案三：像测量R 一样，测量电容C 的最经典方法是电桥法，如图2.1所示。只是电容C 要用交流电桥测量。电桥的平衡条件[2]是：

()()1212n x j j n x Z Z e Z Z e φφφφ????++?

?

?

?

??=??

图1 电桥电路

通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。

方案四：应用基本思想：把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。先把电容C 转换成宽度为tw 的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C 的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw 与电容C 成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数—锁存—译码—显示系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率f 是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。

2.2 简单论证：

本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP 脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C 转换成宽度为tw 的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw 与电容C 成正比。[3]用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。或者把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—锁存—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。如果超过

电容的量程，则报警并清零。

该方案的总体方框图如图

1所示。功能的电路采用模块化设计，分别都有各自的功能。

三、单元电路设计与参数计算

3.1 用555定时器构成的多谐振荡器

电路图及其输出波形如下图所示，其工作原理如下：由图3所示，可以求得电容C1上的充电时间T1和放电时间T2：

T 1=（R 1+R 2）C ㏑2≈0.7（R 1+R 2）C T 2=R 2C ㏑2≈0.7R 2C

所以输出波形的周期为T=T 1+T 2=（R 1+2R 2）C ㏑2≈0.7（R 1+2R 2）C R 1=4.7k ，R 2=12k ，T ≈2ms

振荡频率 f=1／T ≈1.44／[（R 1+2R 2）C ≈500Hz 占空比q=（R 1+R 2）／（R 1+2R 2）≈58.2％

图3.1 多谐振荡电路 图4 多谐振荡电路输出波形

图2. 原理框图

3.2 用555定时器构成的单稳态电路

用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图5所示，其工作原理如下： 接通电源瞬间，V c =0，输出V o =1，放电三极管T 截止。V cc 通过R 给C 充电。当V c 上升到2V cc ／3时，比较器C 1输出变为低电平，此时基本R S 触发器置0，输出V o =0.同时放电三极管T 导通，电容C 放电，电路处于稳态，稳态时V i =1.

当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使V o =1，电路进入暂稳态。由于V o =1，三极管T 截止，电源V cc 可通过R 给C 充电。当电容C 充电至V c =2V cc ／3时电路又发生翻转，输出V o =0，T 导通，电容C 放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由RC 电路参数决定。[4]

若忽略T 的饱和压降，则电容C 上电压从0V 上升到2V cc ／3的时间，即输出脉冲宽度tw 为：tw=RC ㏑3≈1.1RC

图5 单稳态电路

图6 单稳态电路输出波形

3.3 74LS160构成的计数器

74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。

由三个71604LS160构成的计数器电路如下图所示：

图7 计数电路

3.4 74LS273锁存器

由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。

74LS273工作原理是：MR为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输入信号变动，直至下一个上升沿到来。这里的CLK输入由单稳态输出接反相器得到。

当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁存。以正确显示电容值。电路如下所示：

图8 锁存电路

3.5 74LS247译码器

74LS247芯片的功能即将四位二进制表示的数进行译码，以驱动共阳的七段数码管显示其值。电路图如下所示：

图9 译码电路

3.6 数码管显示电路

由任务要求知，用三位数码管显示被测电容值的大小。因为译码电路用的是74LS247，并且0.01uf-1uf档位的设计采用1-100乘以0.01，所以这里选用八段共阳数码管，当量程为0.01uf-1uf时，第二位数码管的小数点亮。

图10 数码管显示电路

3.7 单位显示电路

单位的显示与量程的选择一致，即当量程为0.01uf-1uf或1uf-100uf时，单位显示为UF，当量程为100pf-0.01uf时，单位显示为PF.，单位后的小数点亮表示被测电容值为显示的数值乘以100。

图11 单位显示电路

3.8 量程选择错误指示电路

三个量程下数码管显示的值都为1-100，当数码管显示000或是大于100的数时，指示灯亮，表明量程选择有误。[5]

图12 量程选择错指示电路

四、总原理图及元器件清单

4.1 总原理图

图13 总原理图

4.2 元件清单

表1 元件清单

五、安装与调试

5.1 电路的安装与调试

在这几周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和我和部分模块电路的焊接，我同组人主要负责电路检查和其他部分电路的焊接。

电路安装完毕后，首先我们检查电路各部分的接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重

新通电。

通电后，稳压电源的5伏电压会突变到2伏左右，而且电路板上VCC和GND两条总线间连电压都没有，但各芯片又处于正常通电状态，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以我们决定重新焊接。

这一次，我们采取“各个击破”的方式进行电路板的焊接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段共阴数码管，它的公共端3脚和8脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将8脚接到了VCC总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对细心，头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。

还有在计数电路中，计数时丢失了有4和7的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结端一直没有电压，经过再次焊接后，计数终于恢复了正常。

果，低位计数器的Q

c

基本电路完成后，我们开始灭等电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分相对比较简单。但这里偏偏也有麻烦。

开始，我们将暂停开关放在计数器信号输入与555信号输出之间，但接上电源后，数码显示异常，而将计数信号输入与信号发生器相连，电路又运行正常。这个现象让我们把问题锁定在开关上，后来通过询问其他同学，了解到555产生的脉冲信号不稳定，而我们选用的开关是一个拨动开关，当拨动时会有较大的振动，会影响信号的传送。

那，避免和555信号输出端连接。改良所以后来我们就换了开关的位置，放到电阻R

1

后，电路可以正常工作。

最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。基本完成了此次课程设计的任务。

5.2 电路的检查与解决方案

(1) 控制电路检查

在电路全部焊接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分没有问题。

(2) 显示电路检查

当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电路连接不正确。

解决方法：1)接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，并把有问题的部分重新焊接好；

2)进一步检查电源与地的接入是否接反；

3)若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在焊接过程中各管脚

的连接是否接错；

(3) 计时电路检查

将本课设中所选计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1s的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从30递减至0的过程中未出现有4和7的数，上述情况表明计数电路接触良好，但置数出现问题。

解决方法:1)检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线错误；

2)选择被用作低位显示的那片74LS192作为检测对象，在数码显示的整个过程中

用万用表测量Qc对应的6管脚的电压。看是否有时会有高电平。

(4) 555脉冲发生电路检查

我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒信号的要求。

六、性能测试与分析

（1）按照总电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。本设计在proteus软件里调试。

（2）当点击运行按钮时，555多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7（R

1+2R

2

）C 的

方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。

（3）在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555单稳态触发器的输入端会不断地输入方波脉冲，由555单稳态的性质我们可以知道，当负脉冲到来时，单稳态触发器会输出为宽度为是Tw=1.1RC的正脉冲；

（4）从理论上讲，我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，