《数字电容测试仪》word版

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1、1课程设计目的在实际的电子线路的设计中经常要用到电容器，而电容器的容量值大小直接影响它在电路中的作用。电容容量的测量一般不够直观，为了方便人们对电容的直接测量，我们组通过查阅资料并结合自己所学的知识设计了一个能直接显示被测电容容量大小的数字电容测量仪。2课程设计指标（1）被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内。（2）设计测量量程。（3）用3位数码管显示测量结果，测量误差小于10%。（4）响应时间在2s内3课程设计原理3.1设计方案利用单稳态触发器和电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成对应脉冲的宽窄，即

2、脉冲宽度与电容器容量大小成正比。只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相连，便可得到计数脉冲，把计数脉冲传送给计数器计数，然后再给显示器显示。若时钟脉冲的频率等参数选择得当，数字显示器显示的数字便是待测电容器容量的大小。我们之所以会选择该方案是由于我们刚学到的数字电子技术书中学到了单稳态触发器的原理、用多谐振荡器产生时钟脉冲的原理，考虑到选这个方案设计比较容易，而且所需电路图及原理都比较熟悉，必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。3.2设计原理框图第11页共11页多谐振荡器

3、控制电路计数器显示器待测电容清零模块图中多谐振荡器产生时钟脉冲，控制电路将待测电容的容量值转化成相应宽度的脉冲，计数器记录这段宽度脉冲数目，并由显示器显示出来，清零模块用于将计数器清零。4设计的步骤和过程4.1控制电路控制电路的主要功能是根据被测电容Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度Tx，下图所示为单稳态控制电路的原理图。该电路的工作原理如下：当被测电容Cx接到电路中之后，只要接通开关S，电源电压Vcc经由第11页共11页微分电路C1、Rl和反向器，送给555定时器的低电平触发端TRI一个负脉冲信号使单稳态触

4、发器由稳态变为暂稳态，使其输出端OUT由低电平变为高电平．该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数端．暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1R3*Cx。然后单稳态电路又回到稳态，其输出端OUT变为低电平，从而封锁与门，计数器停止计数。可见，控制脉冲宽度Tx与RCx成正比．如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，从而达到测量电容的要求。该输出端输出电压波形如下图：由于设计要求，Cx的变化范围为1uF—100uF，且测量的时间小于2s，即Tx<2s，也就是Cx最大(999uF)时Tx<2s，根据Tx

5、=1.1R3*Cx可求得：R3=18.2K。取R=18K。微分电路可取经验数值，取R1=1K，R2=10K，C1=luF。同理可计算得，Cx的变化范围为0.01uF－1uF时R3=180K。4.2时钟脉冲发生器由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟脉冲的产生功能．电路原理图及其输出波形如下图所示：振荡波形的周期为：第11页共11页T=tp1+tp2=0.7(R4+R5)C3其中tp1=0.7(R4+R5)C3，tp2=0.7R4C3占空比为：q=tpl／T=(R4+R5)／(R5+2R4)因为时钟周期T=0.7(R

6、5+2R4)是在忽略了555定时器THR脚的输入电流条件下得到的，而实际上THR脚有10uA的电流流入．因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10uA．又因为要求Cx=100uF时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在2s内产生100脉冲．即时钟脉冲周期应为T=20ms．即：T=tpl+tp2=0.02s如果选择占空比q=0.6，即q=tpl／T=0.6由此可求得：tp1=0.6T=0.60.02s=0.012stp2=T-tpl=(0.02-0.012)s=0.008s取C4=0.1uf，则：R5=t

7、p2／0.7C=11.43KR5=tpl／0.7C4-R4=5.713K．取标称值：R5=5.6K，R4=12K．最后还要根据所选电阻R4、R5的阻值，校算流过R4、R5的最小电流是否大于10uA．从图可以看出，当C4上电压uc达到2V／3时，流过R4、R5的电流最小，为:Imin=(Vcc-2Vcc／3)／(R4+R5)=95uA振荡周期：T=0.7(R5+2R4)C4=20.07ms可见所选元件基本满足设计要求．为了调整振荡周期，R5可选用5.6K的电位器．4.3计数和显示电路由于计数器的计数范围为1—100，因

8、此需要采用3个二——十进制加法计数器．这里选用3片74LS160级联起来构成所需的计数器．三片74LS160和数码管连接如下图:第11页共11页图中开关为清零控制模块，把它打向上面为清零，打向下面计数。5设计电路的仿真和运行结果5.1电路的调试重按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试计数和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，不用调整