數(shù)字電容測試儀課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　電阻、電容、電感是電工領(lǐng)域中最基本的物理量。對于從事電氣技術(shù)的工作者、生產(chǎn)人員，電容測量儀是不可缺少的常用儀表。任何一種儀器、儀表在保證一定的技術(shù)指標的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、價格低廉是評價其優(yōu)劣的一項綜合指標。

2、</p><p>　　各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“儲存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為的極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。

3、</p><p>　　由于電容元件本身的儲能特性，因此它被廣泛地應(yīng)用于整流，濾波，耦合，振蕩等電路中，幾乎成為現(xiàn)代整機產(chǎn)品中不可或缺的分立元器件。因此，無論是對電容生產(chǎn)廠商或整機設(shè)計維修工程師來講，通過電容測量儀準確地了解電容元件的參數(shù)特性都非常有必要，尤其是模擬電路和射頻電路設(shè)計工程師。</p><p>　　電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對電路的性能有重要的影響，此次我的

4、課程設(shè)計就是用數(shù)字顯示方式對電容進行測量。 </p><p><b>　　1.2 設(shè)計要求</b></p><p>　　1.2.1 基本部分</p><p>　　(1) 被測電容的容量在0.01μF至100μF范圍內(nèi)。</p><p>　　(2) 設(shè)計測量量程。</p><p>　　(3) 用3位

5、數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于20%。</p><p>　　1.2.2 發(fā)揮部分（選做）</p><p>　　(1) 另增一個測量量程，使被測電容的容量擴大到100PF至100μF范圍內(nèi)。</p><p>　　(2) 測量誤差小于10%。</p><p><b>　　2系統(tǒng)概述</b></p><p

6、>　　2.1 方案的選擇及可行性分析</p><p>　　數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的大小，從而判斷電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標設(shè)計，它的設(shè)計要點可分為倆部分：一部分是數(shù)碼管顯示，另一部分就是要將Cx值進行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　能滿足上述設(shè)計功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面四種參考方案：</p><p>　　方案

7、一：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯 示?？捎?55集成定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RC㏑3≈1.1RC。從式中可以看出，當固定時，改變電容C則輸出脈寬tw跟著改變，由tw的寬度就可以求出電容的 大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓Vo取平均值，由于電容量的不同，tw的寬度也不同，則Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到電容C的大小。如果把平均值送到A/

8、D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但是我們對A/D轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分，設(shè)計有一些困難。</p><p>　　方案二：用阻抗法測R、L、C有兩種實現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測元件電壓；永恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。</p><p>　　方案三：像測量R一樣，測量電容C的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖2.1所示。只是電容

9、C要用交流電橋測量。電橋的平衡條件是：</p><p>　　Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）] =Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]</p><p>　　圖2.1 電橋電路</p><p>　　通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可求出被測電容。用這種方法測量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡也難以

10、用簡單電路實現(xiàn)。這樣，電橋法不易實現(xiàn)自動測量。</p><p>　　方案四：應(yīng)用基本思想：把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計數(shù)器計數(shù)，技術(shù)后再運算求出C的值，并送出顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計的知識，把此脈沖作閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送至計數(shù)—鎖存—譯

11、碼—顯示系統(tǒng)就可得到電容量的數(shù)據(jù)。其實，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，頻率f是數(shù)字電路很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。因此本設(shè)計我們采用此方案。</p><p><b>　　2.2 方案論證</b></p><p>　　2.2.1 設(shè)計思路</p><p>　　本設(shè)計中用5

12、55振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計數(shù)器的CP脈沖也就 是標準頻率。同時把待測電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比。用這個寬度的矩形脈沖作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，合理處理計數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計數(shù)器的計數(shù)值即為被測電容值?；蛘甙汛嗣}沖作為閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送計數(shù)—鎖存—譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋鈕控制量程的選擇。用計數(shù)器控

13、制電路控制總量程。如果超過電容的量程，則報警并清零。</p><p>　　2.2.2 設(shè)計的總體框圖</p><p>　　該方案的總體方框圖如圖2.2所示：</p><p>　　3 單元電路設(shè)計分析</p><p>　　3.1 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　電路圖及其輸出波形如下圖所示，其工作原理

14、如下：</p><p>　　由圖3.1所示，可以求得電容C1上的充電時間T1和放電時間T2 ： T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C</p><p>　　T2=R2C㏑2≈0.7R2C</p><p>　　所以輸出波形的周期為T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C</p><p>

15、　　R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms</p><p>　　振蕩頻率 f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]≈500Hz</p><p>　　占空比 q= （R1+R2）／（R1+2R2）≈58.2％</p><p>　　圖3.1 多諧振蕩電路及輸出波形</p><p>　　3.2 用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路</

16、p><p>　　用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形如圖3.2所示，其工作原理如下：</p><p>　　接通電源瞬間，Vc=0，輸出Vo=1，放電三極管T截止。Vcc通過R給C充電。當Vc上升到2Vcc／3時，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時基本RS觸發(fā)器置0，輸出Vo=0.同時放電三極管T導(dǎo)通，電容C放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時Vi=1.</p><p>　　當

17、輸入負脈沖時，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使Vo=1，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于Vo=1，三極管T截止，電源Vcc可通過R給C充電。當電容C充電至Vc=2Vcc／3時電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出Vo=0，T導(dǎo)通，電容C放電，電路自動恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。可見，暫穩(wěn)態(tài)時間由RC電路參數(shù)決定。</p><p>　　若忽略T的飽和壓降，則電容C上電壓從0V上升到2Vcc／3的時間，即輸出脈沖寬度tw為： tw=RC㏑3≈1.1RC</

18、p><p>　　圖3.2 單穩(wěn)態(tài)電路及輸出波形</p><p>　　3.3 74LS160構(gòu)成的計數(shù)器</p><p>　　74LS160是集成同步十進制計數(shù)器，該計數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。</p><p>　　由三個71604LS160構(gòu)成的計數(shù)器電路如下圖所示</p>&l

19、t;p><b>　　圖3.3 計數(shù)電路</b></p><p>　　3.4 74LS273鎖存器</p><p>　　由74LS273構(gòu)成的鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存。74LS273工作原理是：MR為高電平，當CLK輸入為上升沿時對輸入信號進行鎖存，鎖存后輸出不再隨輸入信號變動，直至下一個上升沿到來。這里的CLK輸入由單穩(wěn)態(tài)輸出接反相器得到。當單穩(wěn)態(tài)輸出為低電平時

20、，表示定時結(jié)束，同時鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存。以正確顯示電容值。電路如下所示：</p><p><b>　　圖3.4 鎖存電路</b></p><p>　　3.5 74LS247譯碼器</p><p>　　74LS247芯片的功能即將四位二進制表示的數(shù)進行譯碼，以驅(qū)動共陽的七段數(shù)碼管顯示其值。電路圖如下所示：</p><p&

21、gt;<b>　　圖3.5 譯碼電路</b></p><p>　　3.6 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　由任務(wù)要求知，用三位數(shù)碼管顯示被測電容值的大小。因為譯碼電路用的是74LS247，并且0.01uf-1uf檔位的設(shè)計采用1-100乘以0.01，所以這里選用八段共陽數(shù)碼管，當量程為0.01uf-1uf時，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點亮。</p><

22、p>　　圖3.6 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　3.7 單位顯示電路</p><p>　　單位的顯示與量程的選擇一致，即當量程為0.01uf-1uf或1uf-100uf時，單位顯示為UF，當量程為100pf-0.01uf時，單位顯示為PF.，單位后的小數(shù)點亮表示被測電容值為顯示的數(shù)值乘以100。</p><p>　　圖3.7 單位顯示電路</p

23、><p>　　3.8 量程選擇錯誤指示電路</p><p>　　三個量程下數(shù)碼管顯示的值都為1-100，當數(shù)碼管顯示000或是大于100的數(shù)時，指示燈亮，表明量程選擇有誤。</p><p>　　圖3.8 量程選擇錯指示電路</p><p>　　4 電路總體描述及功能實現(xiàn)</p><p>　　4.1 電路參數(shù)選擇</

24、p><p>　　以電容值47uF為例，因為測試電容的原理是:閘門信號Tw=1.1RCx，而振蕩器輸出周期為T=0.7（R1+2R2）C的基準脈沖，我們設(shè)置電路使0.7（R1+2R2）C*N=1.1RCx，等式兩邊同時約去N和Cx，那么在閘門信號閘門內(nèi)有N個基準脈沖，電容值就為N(Cx)。</p><p>　　4.2 產(chǎn)品使用說明</p><p>　　將被測電容安裝在單穩(wěn)

25、態(tài)電路中電容C3位置處，選擇一個量程的開關(guān)合上，并點擊運行開關(guān)。若顯示值在1-100之間，則說明量程選擇正確；若顯示值為000，則說明量程選擇大，應(yīng)調(diào)小量程；若顯示值大于100，則說明量程選擇太小，應(yīng)調(diào)大量程。后兩種情況下，量程選擇錯指示燈會亮。如果單位顯示為PF，則單位后會亮一指示燈，說明被測電容值測量結(jié)果應(yīng)為顯示值乘以100。</p><p><b>　　4.3 安裝與調(diào)試</b><

26、;/p><p>　?。?）按照總電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試。本設(shè)計在proteus軟件里調(diào)試。</p><p>　?。?）當點擊運行按鈕時，555多諧振蕩器開始工作，輸出周期為 T=0.7（R1+2R2）C 的方波信號。將多諧振蕩器輸出的脈沖送往74LS160開始計數(shù)，同時將輸出信號結(jié)至單穩(wěn)態(tài)電路輸入端，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路進行定時功能。</p><p>　?。?

27、）在多諧振蕩器輸出輸出周期性脈沖的時候，555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端會不斷地輸入方波脈沖，由555單穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)我們可以知道，當負脈沖到來時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會輸出為寬度為是Tw=1.1RC的正脈沖；</p><p>　　（4）從理論上講，我們可以通過74LS160輸出所測電容的大小，但是由于555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的負脈沖時間非常短，我們幾乎從顯示器上無法確定單穩(wěn)態(tài)負脈沖的到來，因此我們用了一個74LS273做成的鎖存器

28、。當555單穩(wěn)態(tài)輸出負脈沖時，我們將此信號經(jīng)過一個非門，去控制74LS273的CP脈沖，在555輸出正脈沖時鎖存器不輸出數(shù)據(jù)，只有555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出負脈沖時，控制74LS273的CP脈沖輸出當前的數(shù)據(jù)；</p><p>　?。?）根據(jù)課程設(shè)計的要求，我們設(shè)計了三個量程，分別由接在555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6、8腳的電阻器來完成的。通過控制電阻的大小，可以控制輸出正脈沖的寬度，即定時時間長短，間接的控制輸出電容的量程，

29、同時在輸出不同的量程的時候，我們通過電路控制不同的單位顯示加以區(qū)別；</p><p>　　（6）在此電路中我們還添加了量程選擇錯誤指示燈。可以通過燈的亮滅及顯示值的大小來確定量程是否選擇正確。</p><p>　?。?）在測試1-100uf電容的過程中，可能是由于電路的影響，顯示的電容值在某一個范圍里不停的變動，為此，我們在設(shè)計該量程時在多謝振蕩器的C2電容兩端并聯(lián)了一個電容，以加大輸出波

30、形的周期，同時為了不使測量結(jié)果發(fā)生變化，將該量程下的單穩(wěn)態(tài)電路6、8間的電阻擴大至同樣的倍數(shù)。這樣設(shè)計后，顯示很穩(wěn)定。</p><p>　　調(diào)試正常后，選取了6個待測電容進行測量，數(shù)據(jù)如下表4-1所示。其中部分仿真結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖4.3.1 100pf被測電容仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.3.2 0.47uf被測電容仿真結(jié)果<

31、/p><p>　　圖4.3.3 68uf被測電容仿真結(jié)果</p><p>　　表4-1 調(diào)試結(jié)果記錄</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1 總結(jié)</b></p><p>　　該數(shù)字電容測試儀完成了設(shè)計任務(wù)的基本要求和發(fā)揮部分要求，同

32、時增加了單位顯示部分及量程選擇錯誤指示部分。儀表具有性能可靠、精度高、操作簡單，顯示直觀等特點。不足之處在于當被測電容值100pf-0.01uf之間時。測量誤差較大。這是因為設(shè)計要求用三個數(shù)碼管顯示，而該量程為0.0001uf-0. 01uf或者說是100pf-10000pf，設(shè)計該量程時采用顯示值乘以100的方法來表示被測電容值，這樣一來雖然三個量程的顯示值都在1-100之間，但100pf-0.01uf檔位的誤差就較大了。</p

33、><p><b>　　5.2 收獲與體會</b></p><p>　　從抽到課程設(shè)計的任務(wù)到在軟件中實現(xiàn)其功能，再到報告的撰寫，這兩周的時間對我們來說是受益匪淺的。</p><p>　　這是一次理論與實際相結(jié)合的過程，在這一過程中，我們終于能將所學(xué)的知識應(yīng)用到生活實際中去。以前學(xué)習(xí)總感覺知識與實際脫離的太遠，學(xué)得再好，過不了多長時間就全忘了，到頭來

34、學(xué)了也不知道有什么用，學(xué)了也沒用到實處去。而這次課程設(shè)計，雖然我們只是在軟件上實現(xiàn)其功能，而沒有做出實物，但這也讓我們充分體會到了知識的魅力，實踐的樂趣。</p><p>　　由于我開始有自學(xué)過單片機，用過proteus軟件，對一些功能模塊比較熟悉，所以接到設(shè)計任務(wù)時對各部分電路有了整體的認識。結(jié)合相關(guān)的資料，我便開始設(shè)計起電路圖來。在設(shè)計過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計及單位顯示電路的設(shè)計是值得

35、注意的。74LS160對計數(shù)脈沖有一定的要求，同時多諧振蕩器的頻率也會影響測量精度。所以多諧振蕩器的電容電阻值的選擇有一定的講究。在設(shè)計量程時，我是通過改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來設(shè)計的。但最后在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，測量檔位在1uf-100uf時，某些電容值的顯示結(jié)果很不穩(wěn)定，于是我便在在該檔位下，在在多諧振蕩器的C2電容間并聯(lián)一個電路，以減小輸出脈沖的頻率，同時增大單穩(wěn)態(tài)電路的定時時間以達到測量結(jié)果不變的目的。在單位顯示電路的設(shè)計過程

36、中，剛開始我用74LS248芯片，但要在同一位數(shù)碼管上根據(jù)不同的量程來顯示對應(yīng)的U或是P很有難度。因為當要顯示的是U(P)時，顯示P(U)的電路對顯示U的電路有影響，導(dǎo)致顯示結(jié)果總是亂碼。后來我改用74LS247，并利用高電平和低電平線與時結(jié)果是低電平來實現(xiàn)正確顯示。</p><p>　　當然，在整個設(shè)計過程中并非只遇到這幾個問題。我們可能會因為一個問題而在電腦前調(diào)試好幾個小時。但這發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程就是我

37、們學(xué)習(xí)的過程。只有這樣，我們才能體會到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學(xué)到知識，開拓思維，提高動手能力。在我看來，拼裝出這個電路是其次，因為在網(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個電路。重要的是培養(yǎng)自己的設(shè)計、創(chuàng)新能力，解決問題的能力。</p><p>　　在這兩周期間，同學(xué)們相互討論，相互交流，相互學(xué)習(xí)，無疑也是一次團結(jié)合作精神的培養(yǎng)。</p><p>　　總的說來，這是一次綜合能力的鍛煉

38、。也激發(fā)了我們動手的欲望，學(xué)習(xí)的激情。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版/第五版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2006：174-184，278-298,489-497．</p><p>　　[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，200

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