简易数字电容计的设计

简易数字电容计的设计

【摘要】利用89C2051设计了一个数字电容表，其设计思想是利用对被测电容进行冲放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路，可测量容量小于2微法的电容器的容量，采用4位数码管显示。

【关键词】电容测量；充放电法；89C2051；数字

在日常的电路工程或者是电路实验中，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值要求也是很高的。本文利用89C2051设计了一个数字电容表，能够精确地测量电容值。

１．整体电路设计框图

电路由单片机电路、电容充电测量电路和数码显示电路等部分组成。

整体电路设计框图

２．测量电路

测量电路如图所示。A为AT89C2051内部构造的电压比较器，AT89C2051的P1.0和P1.1口除了作I/O口外，还有一个功能是作为电压比较器的输入端，P1.0为同相输入端，P1.1为反相输入端，电压比较器的比较结果存入P3.6口对应的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部无引脚。

电压比较器的基准电压设定为0.632E+，在CX两端电压从0升到0.632E+的过程中，P3.6口输出为0，当电池电压CX两端电压一旦超过0.632E+时，P3.6口输出变为1。以P3.6口的输出电平为依据，用AT89C2051内部的定时器T0对充电时间进行计数，再将计数结果显示出来即得出测量结果。

AT89C2051内部的电压比较器和电阻R2-R7等组成测量电路，其中R2-R5为量程电阻，由波段开关S1选择使用，电压比较器的基准电压由5V电源电压经R6、RP1、R7分压后得到，调节RP1可调整基准电压。当P1.2口在程序的控制下输出高电平时，电容CX即开始充电。量程电阻R2-R5每档以10倍递减，故每档显示读数以10倍递增。由于单片机内部P1.2口的上拉电阻经实测约为200K，其输出电平不能作为充电电压用，故用R5兼作其上拉电阻，由于其它三个充电电阻和R5是串联关系，因此R2、R3、R4应由标准值减去1K，分别为999K、99K、9K。由于999K和1M相对误差较小，所以R2还是取1M。

３．显示电路

数码管DS1-DS4、电阻R8-R14等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，用软件对字形码译码。P3.0-P3.5、P3.7口作数码显示七段笔划字形码

的输出，P1.3-P1.6口作四个数码管的动态扫描位驱动码输出。这里采用了共阴数码管，由于AT89C2051的P1.3-P1.6口有25mA的下拉电流能力，所以不用三极管就能驱动数码管。R8-R14为P3.0-P3.5、P3.7口的上拉电阻，用以驱动数码管的各字段，当P3的某一端口输出低电平时其对应的字段笔划不点亮，而当其输出高电平时，则对应的上拉电阻即能点亮相应的字段笔划。

该数字电容计工作稳定，电路简单，成本低廉且制作容易，具有很高的使用价值。

4.充放电电路

对于该设计来说电容测量结果是否准确，充放点电路起着很大的作用，所以我们先对电容的充电电路进行设计，选用最简单的电路。但是对于该电路的输出没有良好的边缘，不能将电容的充电时间准确地表达出来，不能准确地控制闸门电路，所以考虑用整形电路，在这里我们选用555集成电路构成的单稳态电路进行整形。整形后，信号从555集成电路的out脚输出，在EWB上我们进行了仿真，观察到波形有了明显的改善。

5.基准脉冲发生电路

基准脉冲是用来做为计数器的CP用，所以一般的多谐振荡器和整形电路就可以完成，由于我们选用比较高的频率（1o0KHz）做计数频率，为了使频率比较稳定我们选用石英晶体来构成振荡器。

从仿真的波形来看，该基准脉冲发生电路产生的脉冲波并不怎么接近理想的方波，但是在这里用于计数器的CP是完全可以的。

6.计数器电路

为了满足量程和精度要求，我们需要四位输出，我们选择用4片十进制计数器74LS160做成计数器，在设计过程中为保证计数的准确，160计数器就不能从一开始就计数，应该在刚开始时给一个异步置0，所以在CD端要加启动控制信号。

在设计过程中一开始我们没有加入电路中的3个非门，但是发现在低位片是9时就发生了进位，为了消除这个误差我们将3个非门加到进位信号上产生延迟，这样就不会发生显示错误了。

7.闸门控制电路

根据理论，整形后的波形是一个有一次正跳变的信号，我们将这个信号取反，这时电容充电时，输出保持为l，充电完毕后保持为0，将该信号与基本脉冲相与，得到的信号再去控制计数器计数。

8.译码器和显示器

为了制作方便和可操作，我们选用4片CH283L寄存——译码——数字显示器，这样译码和显示都由同一器件完成。

9.结束语

现实生活中，很多时候都是没有仪表的情况下要测量电容容量。以上设计方法是一种使用单独的测量电容的数字电容计。设计的目的是应用数字电路课程的理论知识独立完成一个设计课题，通过对实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。■

【参考文献】

［１］康华光.电子技术基础：模拟部分.北京：高等教育出版社，2000，（5）．

［２］阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006，（5）．

［３］谢嘉奎.电子线路：线性部分.北京：高等教育出版社，1999，（4）．

［４］童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001，（3）．