利用Multisim设计电容测量电路

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1、一、概述随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于NE555的RC冲放电原理

2、。用2片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度，在这个脉冲宽度内的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计算出待测电容的大小，并且达到精确度比较高（±10%）、测量数值较为稳定，量程可控制（0.2uF—20uF）的要求，而且所设计的电路比较简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等部分组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。二、

3、方案论证本设计方案采用的是基于NE555的RC充放电原理的脉冲宽度测量法，本设计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是由2片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3片74LS160构成的计数器和2片74LS273构成的锁存器组成，显示电路由3片内部自带译码器的数码显示管（DCD_HEX）组成。脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1所示，利用单稳态触发器在待测电容上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度，再将单稳态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门，与门的输出信

4、号中脉冲宽度内的脉冲个数通过3片十进制计数器计数后输入到2片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管，数码显示管所显示的数值就是脉冲个数。由于初始相位不定和传输的时间差等原因，第一个显示的数字并不是准确的脉冲个数，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此，外界的温度也会对模拟元器件产生很大的影响，而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采14用本方

5、案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响，从而提高测量准确度，适用于大多数环境。图1系统功能框图本设计由于是采用计数器直接计数，经锁存器锁存后输入数码管进行显示，省去了信号直接的转换，使相对误差减小。三、电路设计电路设计包括了两大部分，总电路图见附录I。考虑到实际生活中的需要，因此设计了能将日常生活用电转换成5V的直流电，转换电路图如图2。图25V直流电流源这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后，输出的电压为稳定的5V直流电，将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。第二大部分又分为三个小部分，分别是测量

6、电路部分、计数锁存电路部分以及显示电路部分。首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器组，上面的555定时器为单稳态触发器，下面的为多谐振荡器。多谐振荡器3端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2端的输入信号。图中为待测电容，接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待14测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。图3测量电路单稳态触发器产生脉

7、冲信号的脉宽计算公式如下：当值固定时，与的大小成正比。越大，在时间内通过与门的脉冲数就越多，数码管所显示的数字就越大。多谐振荡器的振荡周期的计算公式如下：考虑到设计要求中量程为0.2uF—20uF,令为0.2uF。单稳态触发器3端输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足：经过整理得：适当的选取、和的值，使，则数码管所显示的数值为与的比值。这样我们就可以直接计算出的大小了。14例如，当待测电容为1uF时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。图4待测电容为1uF时各输出信号波形上图中的波形自

8、上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器输出信号、与门输出信号。其次是计数锁存电路部分，本部分电路图如图5所示。图5计数锁存电路14计数器74LS160N是一个同步十进制加法计数器