電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作

1、艾美特電器（深圳）有限公司簡(jiǎn)易電容測(cè)試儀摘要數(shù)字電容測(cè)量?jī)x是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的 測(cè)量?jī)x器。現(xiàn)在常用的測(cè)量方法是電容表法和充放電法。本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)555定時(shí)器，其中一個(gè)555定時(shí)器搭建成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，通 過給端腳2 一個(gè)負(fù)脈沖使定時(shí)器由單穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，從而在輸出端輸出一個(gè)高電平的單脈沖，通過計(jì)算這個(gè)單脈沖的寬度便可由公式算出電容值，另一個(gè)555定時(shí)器搭建成多諧振蕩器，通過電容充放電產(chǎn)生固定周期的脈波，作為計(jì)數(shù)脈沖； 將計(jì)數(shù)脈沖接到74161構(gòu)成的4位計(jì)數(shù)器的低位的計(jì)數(shù)脈沖輸入端進(jìn)行計(jì)算，每 個(gè)74161的四個(gè)輸出端接到數(shù)碼管進(jìn)行顯示，用置數(shù)法對(duì)74161賦初值；

2、采用直流穩(wěn)壓為系統(tǒng)提供+5V電壓。設(shè)計(jì)中使用開關(guān)轉(zhuǎn)換來達(dá)到 3個(gè)大量程測(cè)量電容，能夠測(cè)量 1pF1000PF 1n1000nf, 1u1000uf的電容值；其中100pf100u為所要求的測(cè)量量程，在這 個(gè)量程范圍內(nèi)，可很精確地測(cè)量到電容值，誤差范圍為 0百分之一。關(guān)鍵詞555定時(shí)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，74161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器技術(shù)要求1. 測(cè)試電容容量范圍為100PF100卩F;2. 應(yīng)設(shè)計(jì)3個(gè)以上的測(cè)量量程；3. 用四位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果4. 用紅、綠、藍(lán)色發(fā)光二極管表示單位。、系統(tǒng)綜述1.1基本設(shè)計(jì)思路:Vcc 0RCxln將需要測(cè)量的電容接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 6和7引腳端，另一端接地

3、，6和7引腳通過電阻值與電源正極相連，而通過改變?cè)撾娮璧淖柚悼梢垣@得2VCCV CC3到不同的量程，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖寬度為:RCxl n3 1.1RCx;把該脈沖接到多諧振蕩器的 REST端控制多諧振蕩器的工作，通過多諧振蕩器產(chǎn) 生的計(jì)數(shù)脈沖對(duì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的高電平單脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，（當(dāng)取合適電容電阻參數(shù)時(shí)，便可使單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的單脈沖寬度內(nèi)多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖數(shù)等于電容數(shù)值，用不同顏色的LED燈便知道電容單位1.2、系統(tǒng)方案論證與選擇：方案一 容抗法測(cè)量電容電路其設(shè)計(jì)思想是首先利用一定頻率（例為400Hz）的正弦波信號(hào)將被測(cè)量電容 量Cx變成容抗Xc,然后進(jìn)行C / VCA專換，把Xc轉(zhuǎn)換

4、成交流信號(hào)電壓，再經(jīng)過 AC / DC轉(zhuǎn)換期取出平均值電壓 V0,送至31/2位或41/2位A/D轉(zhuǎn)換器。由于平均 值電壓VO*Cx,只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，即可直讀電容量。優(yōu)缺點(diǎn)：容抗法測(cè) 電容的優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)調(diào)零，縮短了測(cè)量時(shí)間。但精度不高，分立元件太多方案二利用充放電法測(cè)量電容其設(shè)計(jì)思想是利用對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電，將脈波輸入計(jì)數(shù)器通過計(jì)數(shù)，最后送出正確的顯示信號(hào)給顯示電路。 其原理流程方框圖1如下：由555構(gòu)成一個(gè) 多諧振蕩器。在電源剛接通時(shí)，電容 C上的電壓為0,多諧振蕩器輸出Vo為高 電平，Vo通過R對(duì)電容C充電。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外加一反向器作為 控制計(jì)數(shù)脈波，將所計(jì)下的數(shù)送給

5、 74161計(jì)數(shù)，然后送給顯示管顯示。綜上所述，選擇第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.3總體設(shè)計(jì)框圖：（內(nèi)容用小4號(hào)字宋體）二、單元電路設(shè)計(jì)（內(nèi)容用小 4號(hào)字宋體）2.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路：（小4號(hào)字宋體）電路如圖2.2所示，由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)觸發(fā)器，它為下級(jí)多諧振蕩器提供單脈沖，控制多諧振蕩器的工作。單穩(wěn)觸發(fā)器占空比為VCC 0 tw RCxInCC2Vcc 3VccRCxl n3 1.1RCx為了使計(jì)數(shù)器在單穩(wěn)觸發(fā)器高電平時(shí)開始計(jì)數(shù)， 應(yīng)在單穩(wěn)波形后加一級(jí)反相由555組成的多諧振蕩器的振蕩周期為TR1 2R2 C0 In 2為了便于計(jì)算，式中取 Ri R2，則上式可化為T 3RiCln2。計(jì)數(shù)器

6、在單穩(wěn)觸發(fā)器高電平時(shí)（經(jīng)過反相器變換為低電平后）開始計(jì)多諧振蕩器的周期數(shù)，滿足下述關(guān)系式tw T即1. 1RCx N 3R1C0I n2若要顯示器直接顯示出 Cx的值，則應(yīng)該滿足Cx N，所以1.1R 3R1C0I n22.2多諧振蕩器電路:其產(chǎn)生的波形一方面用于計(jì)數(shù)，另一方面作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸入。電路如圖4所示：圖4多諧振蕩器電路其工作原理如下:*片“7嚴(yán)0 L=!：=：=： t圖5多諧振蕩器波形多諧振蕩器只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓UC略低于3Ucc，Uo輸出高電平，V1截止，電源UCC通過R1、12U cc U c U ccR2給電容C充電。隨著充電

7、的進(jìn)行UC逐漸增高，但只要33 ，輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容 C上的電壓2 2UC略微超過3Ucc時(shí)（即U6和U2均大于等于3U時(shí)），ccccRS觸發(fā)器置0，使頁腳內(nèi)容8輸出電壓Uo從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0, V1導(dǎo)通飽和，此時(shí)電容2 1 U cc U c U ccC通過R2和V1放電。隨著電容C放電，UC下降，但只要33，Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)UC下降到略微低于1ucc時(shí),RS觸發(fā)器置1,電路輸出又變?yōu)閁o=1, V1截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述 過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其工作波形如圖5所示。2.3 7

8、4161構(gòu)成的4位計(jì)數(shù)器電路:2.4數(shù)碼管顯示電路:2.5總電路圖:U4CRA1 74LS161Ddai K pt OR -|C E E C23I彳34T| 1.736快033LEU3U2U120J11624)0D74S00D74S00D74S00D94X Id74LS161D2474S00D工: I*.(4)當(dāng)電容值為 C=1OOOpf時(shí)仿真波形與結(jié)果如下：U3U2n2010111JJ1DE2474S00D74S00D74S00DT74S04N74S04N74S00DI74S04NCR74LS161Dd A4 K PT DR-I C E E L COR74LS161Dd A3K PT DR c E E L C5OR9171819QDQBQACR74LS161DdA1K P T DR -iC E E C74LS161DDA2pt OrE E CDDCCQBQAQDQCQBQA150 Q42S1XSC14 2850 Q0 Q2k QR9RSTRST3840DIS31RED1GreTHR469743TRICON3930GNDrS4100nFC510nFC2100pFC1 100nF351.8k Q 150 Q 5QR8 廠 R72k Q牛9 |R11en1廣R1 10k QDIS27THRTRICONR25k QC4_AZA TjLSdOta4 la