简易电容测试仪的设计.docx

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简易电容测试仪的设计

哈工大华德学院毕业设计（论文）评语

姓名：

李强学号：

1109211137专业:

电子与信息工程（应用电子）

毕业设计（论文）题目：

简易电容测试仪的设计

工作起止日期：

2013年9月13日起2013年11月27日止

指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：

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指导教师签字：

指导教师职称：

评阅人评阅意见：

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评阅教师签字：

_____________评阅教师职称：

___________

答辩委员会评语：

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根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：

学生毕业设计（论文）答辩成绩评定为：

对毕业设计（论文）的特殊评语：

答辩委员会主任（签字）：

职称：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员（签字）：

年月日

哈工大华德学院毕业设计（论文）任务书

姓名：

李强系（部）：

应用电子与通信技术系

专业：

电子与信息工程（应用电子）班号：

1092111

任务起至日期：

2013年9月13日至2013年12月7日

毕业设计（论文）题目：

简易电容测试仪的设计

立题的目的和意义：

目的：

方便；快捷；实用

意义：

数字式电容是一种专门用于测量电容容量的数字化仪表，虽然一些数字万用表也具有测量电容的功能，但数字电容表比其更具优越性，测量范围更宽，分辨率更高，测量误差更小。

技术要求与主要内容：

1.四位数码显示

2.电容器的测量范围:

1μF～100μF

3.测量精度正负5%

进度安排：

2013年9月15日:

查资料

2013年10月10日:

电路分析与组装

2013年10月5日:

电路调试

2013年11月4日:

写论文

同组设计者及分工：

独立完成

指导教师签字___________________

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年月日

摘要

电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。

与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。

顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。

尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。

两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。

两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。

电容器也分为容量固定的与容量可变的。

但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。

不同的电容器储存电荷的能力也不相同。

规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。

电容的基本单位为法拉（F）。

但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF）（皮法又称微微法）等，它们的关系是：

1法拉（F）=1000000微法（μF）1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。

电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本课题就是用数字显示方式对电容进行测量。

由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比，把电容C转换成宽度为tW的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存--译码--显示系统就可以得到电容量的数据。

关键词:

电容器；标准频率脉冲；闸门信号

Abstract

Thecapacitor needtouseavarietyof electronic production, they inthecircuitarerespectively playdifferentroles. Similar with resistor, usually referredtoasacapacitor, isrepresentedbytheletter C. Asthenameimplies, acapacitoristhe"chargestoragecontainers". Althoughthe capacitor variety, butthebasicstructureand principle ofthemis thesame. Two closemetal is asubstance（solid, liquidorgas） areseparated, constitutesa capacitor. Plate twopiecesofmetal called, intermediate substancecalled medium. Thecapacitor isalsodividedinto fixedandvariablecapacity. Butthemostcommonare capacitivefixedcapacity, mostofitiselectrolyticcapacitorsand ceramiccapacitors.

Differentcapacitor chargestoragecapacity isnotthesame. Theamountofcharge storedinthe provisions ofthecapacitors and1 volts DC voltage isreferredtoasthe capacitance ofthecapacitor. Thebasic unitof capacitanceisFala （F）. Butinfact, Fala isnota commonunit, because thecapacityofthecapacitor isusually muchsmallerthanthe1 Fala, commonlyusedthemethod（F）, nano method （nF）, skin （pF） （skin methodalsocalled micromicrofarad）, heirelationshipis:

 1Fala （F） = 1000000microfarads （μ F） （μ F） 1microfarad=1000nanofarad （nF） =1000000 PImethod （pF）

Capacitors arewidelyused inelectroniccircuits, have importanteffectsontheperformance ofits capacitywiththesizeofthe circuit, theissueis withdigitaldisplay measurementof capacitance method.

becauseof themonostabletrigger output pulsewidth tWandacapacitance isproportionaltoC, the capacitorC isconvertedintoa pulsewidthof the rectangle istW, thenthe gate signal controlcounter standard numberfrequencypulse, andsend thelatch -decoding, displaysystem cangetthecapacitance data.

Keywords:

 Capacitors；gate signalstandardfrequency pulse

第1章绪论

1.1课题背景

21世纪数字电路的发展速度十分迅速。

电子信息技术推动着社会跨越性的进步与变革，带动了生产力与生产技术大幅度提高。

科技发展的快慢是各国竞争的核心目标。

因此在信息化的今天，电子信息技术就显得尤为重要。

在我国，数字电子技术已被广泛的应用于计算机、自动控制、电子测量仪表和通信等各个领域。

本课题是《简易电容测试仪的设计》，数字式电容是一种专门用于测量电容容量的数字化仪表，虽然一些数字万用表也具有测量电容的功能，但数字电容表比其更具优越性，测量范围更宽，分辨率更高，测量误差更小。

近几年来数字电容表广泛的应用于生活、实验中，给电子工作人员和电子工程师带来测量的方便，也为初学者的学习提供了便利的条件。

我们在做课程设计、电视机实验、收音机的组装还有本次的毕业设计都会用到电容测试仪，而本课题正是因为为了提高教学的质量和为了那些爱好电子制作的朋友们设计的。

在电子行业中这是经常使用的测量仪器，尤其是我们在电子制作中更是如此。

1.2立题的目的和意义

利用数字电子技术进行数字电容表的电路设计，在采用集成电路、分立原件等进行电路搭接的过程中巩固理论知识，真正把理论知识运用到实践中去。

这个不但提高了学生的动手能力，更增强了我们从实际生活中寻找问题、解决问题的能力。

同时，在电路的设计和调试过程中，让学生更加熟练的掌握电路调试和排除故障的基本方法。

在理解了各个集成芯片、元器件的性能和工作原理之后，学生就可以充分利用其功能设计新产品、新设备，从而开发学生的创新思维，培养创造性。

第2章系统设计

2.1设计目的

1.掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。

2.熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。

2.2设计内容要求

1.设计电容数字测量仪电路。

2.组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。

3.画出电容数字测量仪的电路图，写出设计报告。

2.3设计技术指标

1.测量电容容量范围为1μF～100μF。

2.应设计3个以上的测量量程。

3.用四位数码管LED显示测量结果。

4.测量精度正负5%。

2.4方案比较

目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。

方案一：

像测量R一样，测量电容C的最典型的方法是电桥法，如图2-1所示。

只是电容C要用交流电桥测量。

电桥的平衡条件为

图2-1电桥法测量电容C

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以求出被测参数。

用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。

这样，电桥法不易实现自动测量。

方案二：

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器转换成数字量进行显示。

可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为：

tw=RCln3≈1.1RC。

从式可以看到，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tW跟着改变，由tW的宽度就可求出电容的大小。

把单稳态触发器的输出电压V0取平均值，由于电容量的不同，tW的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电容C的大小。

如果把平均值送到位A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。

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。

方案三：

用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：

用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，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。

方案四：

万用（Q）表是用谐振法来测量C值如图2-2所示。

它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。

但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。

因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。

图2-2谐振法测量电容C

方案五：

标准频率比较法。

很多仪表都是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。

基于此思想，我们把电容C转换成频率信号f,转换的原理是555震荡器的震荡周期T=0.639（Ra+Rb）C,周期T与电容的电容量C成正比，通过闸门控制电路控制计数器，对闸门内的脉冲进行计数，并由LED数码管显示出电容量。

其原理框图如图2-3所示：

图2-3标准频率比较法

方案六：

相对于方案五，我们把电容C转换成宽度为Tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计数，计数后再运算求出C的值，并送显示，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，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。

其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，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使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。

因此本次设计我们采用此方案。

2.5方案论证

（一）设计思路

本设计中用555震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。

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的容值。

或者把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。

外部旋纽控制量程的选择，用计数器控制电路控制总量程，如果超过电容计量程，则报警并清零。

（二）设计方案

该方案的总体方框图如图2-4所示：

本章小结

本章主要是对电容数字测量仪的设计并对各个方案进行简要说明，分析了各个方案的特点，结合本次设计选择了最适合本课题的方案。

第3章电路设计

3.1芯片简介

1.555定时器

如图5为555等效功能框图中包含两个COMS电压比较器A和B，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。

三个电阻组成的分压网络为上比较器A和下比较器B分别提供2Vcc/3和1Vcc/3的偏置电压。

图3-1555等效功能框图

定时器的功能主要取决于比较器,比较器A、B的输出控制着RS触发器和三级管sw的状态,4号管脚（Rd）为复位端.当Rd=0时,输出Uo=0,sw管饱和导通.此时其他输入端状态对电路清0状态无影响。

正常工作时，应将Rd接高电平。

像上面所说的那样,当控制电压输入端5脚悬空时，比较器A、B的基准电压分别为2Ucc/3，和Ucc/3。

如果5脚ui外接固定电压，则比较器A、B的基准电压为Ui和Ui/2。

由图5可知，若5脚悬空，当ui6<2Ucc/3，ui2

当ui6<2Ucc/3，ui2>3Ucc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，即R=1，S=1。

RS触发器维持原状态，使u0输出保持不变。

当ui6>2Ucc/3，ui2

这种情况对于基本RS触发器属于禁止状态。

图3-674121的逻辑图及管脚图

如图3-6为TTL集成器件单稳态触发器74121的逻辑图及管脚图。

74121由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器、输出缓冲电路三部分组成。

将具有迟滞特性的非门G6与G5门合起来看成是一个与或非门，它与G7门及外接电阻Rext（或Rint）、电容Cext即组成微分型单稳态触发器，其电路工作原理与单稳态触发器基本相同。

电路只有一个稳态Q=0,Q=1。

当图中a点有正脉冲触发时，电路进入暂稳Q=1,Q=0。

Q为低电平后使触发信号控制电路中RS触发器的G2门输出低电平，将G4门封锁，这样即使有触发信号输入，在a点也不会产生微分型单稳态触发器的触发信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。

①.触发方式。

74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态。

其功能表如表3-1所示：

表3-174121功能表

若B为高电平，A1、A2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变。

若A1、A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。

②定时。

单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。

74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。

若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C的正极连接在Cext输出端（10脚）。

对于定时电阻，使用者可以有两种选择：

采用内部定时电阻（2kΩ），此时将9号引脚（Rint）接至电源VCC（14脚）。

采用外接定时电阻（阻值在1.4～40kΩ之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。

74121的输出脉冲宽度tW≈0.7RC。

通常R的数值取在2～30kΩ之间，C的数值取在10pF～10μF之间，得到的取值范围可达到20ns～200ms。

该式中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint（约2kΩ），如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。

3、4位二进制同步加法计数器74161芯片介绍

74161是集成TTL四位二进制加法计数器，其符号和管脚分布分别如图7（a）和（b）所示，表3-2是74161功能表。

74161芯片（a）74161管脚图（b）

图3-7集成4位二进计数器74LS161（a）符号图（b）管脚图

表3-274161的功能表

①异步清零。

当RD＝0时，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟脉冲CP，计数器输出将被直接置零（Q3Q2QlQ0＝0000），称为异步清零。

②同步并行预置数。

当RD＝1、LD＝0时，在输入时钟脉冲CP上升沿的作用下，并行输入端的数据d3d2d1d0被置入计数器的输出端，即Q3Q2QlQ0＝d3d2d1d0。

由于这个操作要与CP上升沿同步，所以称为同步预置数。

③计数。

当RD＝LD＝EP＝ET＝1时，在CP端输入计数脉冲，计数器进行二进制加法计数。

④保持。

当RD＝LD＝1，且

＝0，即两个使能端中有0时，则计数器保持原来的状态不变。

这时，如EP＝0、ET＝1，则进位输出信号RCO保持不变；如ET＝0则不管EP状态如何，进位输出信号RCO为低电平0。

4.4位集成寄存器74LSl75芯片介绍

图8（a）所示是由D触发器组成的4位集成寄存器74LSl75的逻辑电路图，其引脚图如图8（b）所示。

其中，RD是异步清零控制端。

D0～D3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q0～Q3是并行数据输出端，

～

是反码数据输出端。

该电路的数码接收过程为：

将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端D0～D3，在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器Q端。

74LSl75芯片内部结构图见附录三。

图3-84位集成寄存器74LSl75（a）逻辑图（b）引脚排列

表3-374LS175的功能表

清零

时钟

输入

输出

工作模式

RD

CP

D0D1D2D3

Q0Q1Q2Q3

0

1

1

1

×

↑

1

0

××××

D0D1D2D3

××××

××××

0000

D0D1D2D3

保持

保持

异步清零

数码寄存

数据保持

数据保持

4、七段译码器74LS47-BCD芯片介绍

从74161来的信号为十进制数的BCD码，要将其显示在数码管上，需要经过译码，译码所用的芯片是74LS47-BCD七段译码器。

芯片图如下：

半导体数码管将十进制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。

半导体数码管（或称LED数码管）的基本单元是PN结，目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。

单个PN结可以封装成发光二极管，多个PN结可以按分段式封装成半导体数码管，其管脚排

列如图3-9所示。

74lS49与七段译码器的连接如图3-10所示：

3.2整机电路设计

1.总图：

由框图和总电路图（如图11）可以看到，本数字电容测试仪由启动脉冲发生器、基准脉冲发生器、Cx转化为矩形脉冲系统、计数一锁存一译码一显示系统、量程选择及控制电路和报警系统几部分组成。

另外一个振荡器设置无要求。

另外，可以用集成芯片74C926代替计数一锁存一译码系统，见附录一。

注意电路中有一个微动开关K4，其功能：

（1）插上电容后，按K4为测试电容功能。

（2）测试完后按K4可以清除显示。

（3）声或光报警时，若取下电容再按K4，则停止报警。

若没取下电容则不能停止报警。

图1