電容測試儀課程設計匯本

1、電容測試儀課程設計一、容摘要本實驗使用兩塊555芯片和一塊324芯片設計了一個電容測試儀，該電容測試儀 分為四個量程，可以測從1.0nf到lO.Ouf的電容。555芯片的作用分別是構成了 多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。324芯片中的一個放大器構成了積分電路模塊。整 個電路實現(xiàn)了將電容容值通過數(shù)字電壓表的直流檔直接讀出來的功能。關鍵詞：555芯片，324芯片，電容測試儀二、設計任務電容的容量值通本課題要求利用LM555設計一個測量電容器容量的電路, 過數(shù)字電壓表的直流檔直接顯示。三、技術指標1 熟悉電路的工作原理。2電容測量圍：1.0 nF 10.0uF。3. 可以分檔測量。4. 電源電壓在12V電

2、源圍選擇四、設計要求1 .根據(jù)技術指標通過分析計算確定電路形式和元器件參數(shù)。2 .畫出電路原理圖。元器件標準化，電路圖規(guī)化3 .設計的電路先通過計算機仿真。4. 555定時電路通過查閱手冊獲得器件參數(shù)。五、實驗要求1 .根據(jù)技術指標確定測試工程、測試方法和步驟。2. 確定實驗所用儀器。3. 作出記錄數(shù)據(jù)的表格。4. 完成實驗。六、電路工作原理集成定時器555電路是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，輸入信號自引 腳6和引腳2輸入，輸出信號至引腳3輸出。引腳4是復位端，當其為0, 555 輸出低電平，平時4端開路或接Vcc。引腳5是控制電壓端，當其外接一個輸入 電壓，即改變了比擬器的參考電平，

3、從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加 電壓時，通常接一濾波電容，以消除外界來的干擾，并確保參考電平的穩(wěn)定。當 芯片部三極管導通時，將給接于引腳 7的電容提供低阻放電通路。整個電路分為三個局部：第一局部：555定時器構成多諧振蕩器。5端口連接10nf電容，起濾波作用。 將端口 6和端口 2連在一起，作為輸入信號 Vi的輸入端。在電路接通電源時， 由于電容Ci還未充電，所以Vc（即6端口和2端口）為低電平，電路輸出（即3端 口）為高電平。555芯片部的三極管截止，Vcc通過電阻（Ri+F2）對電容Ci充電，電 路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容 C的充電，Vc電位不斷升高，當Vc>cc時

4、，電路輸出（即3端口）反轉為低電平，電路發(fā)生一次自動翻轉。與此同時，555芯片部的三極管導通，電容 Ci放電，電路進入另一暫穩(wěn)態(tài)。 在這一暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容 Ci的放電，使Vc電位逐步下降。當Vc下降至Vc<.cc時，使電路輸出（即3端口）翻轉為高電平，電路又一次自動發(fā)生翻轉。此后，重復上述電容 Ci的充電過程，如此反復，形成多諧振蕩。其工作波形如 圖一所示。0twittw2圖i自激多諧振蕩器工作波形由上述分析，在電容充電時，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間為twi =0.7（Ri+R?）Ci在電容放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw2=0.7RCi因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tvi+ tw2=0.7

5、（R+2«）Ci振蕩頻率為f = i.44 / （ R +2 F2） G第二局部：555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。4端口接高電平Vcc。以2端口做 輸入觸發(fā)端，Vi的下降沿觸發(fā)，將芯片部三極管的集電極輸出7端通過換量程的電阻接Vx,構成反相器。反相器輸出端 7接待測電容CX到地，同時7端口和6 端口連接在一起。這樣，構成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其工作波形如圖2所示。Vi0 1 tVo圖2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形開場，輸入信號 Vi=Vcc，所以輸出高電平。電源 Vcc通過調量程的電阻對待 測電容充電，使6端口電位上升。當其充電至大于 彳CC時，輸出Vo為低電平。 同時，待測電容Cx放電，最后放

6、電至0,這是穩(wěn)定狀態(tài)。當V輸入信號下降沿到達時，Vi=0,使輸出為高電平。電路受觸發(fā)發(fā)生一次 翻轉。與此同時，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于 Cx的充電，使6端口電位逐漸上升。當 其大于t| cc時，電路輸出為低電平，又自動發(fā)生一次翻轉，暫穩(wěn)態(tài)完畢。同時， 待測電容很快放電至0，電路恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。由上分析可見，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間主要取決于外接調量程電阻和待測電容， 不難求出輸出脈沖的寬度tw為tw=RCI nHl所以tw越寬，輸出的平均電流值越大，反之，那么小。第三局部：由LM324AN中的放大器組成積分器，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖信 號輸入到積分器中，輸出電壓值與脈沖電壓的關系為通過積分，輸出的電壓為

7、一穩(wěn)定值，選擇適當?shù)碾娮柚?，可以使待測電容值的大 小直接從數(shù)字電壓表的直流檔讀出來。七、電路原理圖本電容測試電路原理圖如圖3所示圖3電容測試儀電路八、仿真測試及仿真數(shù)據(jù)測1.0nf10.0nf的電容值，選擇470KQ檔;測10.0nf100.0nf的電容值，選擇 47 KQ檔；測100.0nf1000.0nf的電容值，選擇 4.7 KQ檔；測1.0uf10.0uf的電容值，選擇470 Q檔。注：實際仿真測試時，由于接上四腳開關使數(shù)據(jù)不準確，所以并沒有連接四 腳開關，而是直接接該量程電阻測的，小于4時接的并聯(lián)的電容同理。表1仿真數(shù)據(jù)測量圍Cx理論值Rx檔位C仿真測量值相對誤差1n f10 nf3

8、.3nf并 4.0nf470KQ3.244nf(+4nf)0.77%1n f10 nf6.8 nf470 KQ6.744nf0.82%10n f100 nf22nf并 40.0nf47KQ21.55nf +40nf0.73%10n f100 nf55 nf47 KQ54.65nf0.64%100 nf1uf220nf(并 400.0nf)4.7 K Q215.3 nf(+400.0nf)0.76%100nF1uf660nf4.7 K Q653.9nf0.92%1uf10uf3.33uf(并 4.0uf)470 Q3.267uf(+4.0uf)0.86%1uf10uf5uf470 Q4.962u

9、f0.76%圖4多諧振蕩器輸出波形T2-TIhrri電出世TimeL566 s1.666 s0.000 sChamelA0 .ODD VB.DOO Va .ODO VSave NOChsrrll ACharrd D&c=ale 1lD m s /D ivKposhion cATDSc3le 5 WCWY pcsitian c-Scale P MDiwTUgflsr田聘序劃E E|ErtV positioPlD圖5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形九、實際測試及實際數(shù)據(jù)本電路在測量電容時，由于電路本身設計的缺陷，每檔電容值首數(shù)字在4以下的測量就不準確了（如量程在10.0nf至100.0nf之間時，10

10、.0nf40.0nf的電容值就測不準確了），需要并聯(lián)一較大電容才能準確測量。所以為了實際中在不知 電容值大小的情況下能準確定位其測量檔位及電容值，我采取了如下方法：當被測電容接入電路后，先選擇最小檔測量，如果滿偏，那么換上一檔，直至不滿偏， 證明是該檔電容，假設測出來的電壓值在六以下或六左右，（因為數(shù)值在1左右的電容值有的測出來等于6左右,而其他數(shù)值在4以下的電容測量值都不超過6, 所以選擇該數(shù)作為是否并聯(lián)電容再測量的分界點）那么并聯(lián)一電容，使其數(shù)值不超過十并大于六，用測得的數(shù)值減去并聯(lián)的電容的值，就是待測電容的值。假設值不在六以下，那么測出來的電容值是多少就讀多少。由于每檔都是4以下的值測不

11、準，所以理論上我想選擇用電壓值顯示為6時的電容值來并聯(lián)測不準的電容，以便準確判斷該電阻是否是所測量程之的電 容，好決定是否換更大的檔測量它。 但由于實際電容值的限制，我每檔選擇的并 聯(lián)電容值示之如下：1.0nf10.0nf 檔：并聯(lián) 6.8nf 電容；10.0nf100.0nf 檔：并聯(lián) 66nf 電容；100.0nf1000.0nf檔：并聯(lián) 660nf 電容；1.0uf10.0uf 檔： 并聯(lián) 5.0uf 電容。插好面包板后，由于實際中導線有電阻，器件也不能到達理想的功能的原因， 接470KQ、47KQ、4.7 KQ、470Q并不能準確測出電容的值。所以我將每檔電阻 都換成了滑動變阻器，通過

12、不斷調節(jié)使輸出電壓值能和待測電容值能很好的吻 合。最后調到的電阻值分別是：1.0nf10.0nf檔：2=固定電阻512 KQ+滑動變阻器50 KQ;10.0 nf100.0 nf 檔：局=51.5 KQ;100.0nf1000.0nf檔：R3=5.44 KQ;1.0uf10.0uf 檔：R4=635 Qo表2實測數(shù)據(jù)特征測量圍Cx理論值檔位C實際測量值誤差1n f10 nf1.0nf并 6.8nf562KQ1.05 nf(+6.8 nf)0.64%1nF 10 nf3.3nf并 6.8nf562 KQ3.51 nf(+6.8 nf)2.08%1n f10 nf6.8 nf562 KQ6.81

13、nf0.15%上一檔上界10n f100 nf10nf并 66nf51.5KQ10.5nf +66nf0.66%10n f100 nf22nf并 66nf51.5KQ22.4nf +66nf0.45%10n f100 nf55 nf51.5KQ53.9 nf2.00%上一檔上界100 nf1uf100nf(并 660nf)5.44KQ111 nf(+660nf)1.44%100nF1uf220nf(并 660nf)5.44KQ238nf(+660nf)2.05%100nF1uf470nf5.44KQ480nf2.13%100nF1uf550nf5.44KQ562nf2.18%100nF1uf6

14、60nf5.44KQ665nf0.76%上一檔上界1uf10uf1uf(并 5uf)635 Q1.19uf(+5uf)3.17%1uf10uf3.33uf(并 5uf)635 Q3.49uf(+5uf)1.92%1uf10uf5uf635 Q5.03uf0.60%此檔上界1uf10uf10uf635 Q9.66uf3.4%由于每檔測量其上界電容值都沒有將其放入更高檔測量準確，所以我將每檔的上界電容值都放在了更高一級的檔位測量了。教師在檢查過程中，先讓我測試了某一檔電容的值，該檔電容值都滿足精度 要求，然后教師將一未知電容接入電路相應位置，第一次由于緊，我忘了小電容要并聯(lián)一個電容后測量才準確的原

15、那么，導致測出的數(shù)據(jù)不太準確。后來，教師又給了我一個電容，吸取上一個的經歷，我仔細測量，從最小量程開場，逐一排 除，得知這個電容的大概容值在 100nf1000nf之間，然后測得這個電容在該檔 時電壓表只顯示有三左右，證明它也需并連一個電容才能準確測量， 所以我并上 了兩個330nf電容，即相當于并聯(lián)了一個660nf電容，電壓表顯示為9.94伏，證 明測出來的電容值為994nf，減去并聯(lián)的電容值，即最后測得的電容值為 334nf, 摘下待測電容，讀取其數(shù)值，為 330nf,誤差為0.40%,滿足精度要求，測試成 功。十、主要儀器名稱及型號設備及元器件名稱型號數(shù)量直流穩(wěn)壓電源DF1731一.臺數(shù)

16、字示波器TDS2002一.臺萬用表FLUKE15B-個面包板一塊本次試驗，我完成了電容測試儀的設計，實驗結果滿足精度要求，并且成功 測試了未知電容的數(shù)值。第一次插面包板時，我由于粗心，第二塊555芯片的5端口忘了連接一個電 容，導致開場怎么調節(jié)電阻也不能準確測量電容值。 后來，通過檢查線路發(fā)現(xiàn)了 此錯誤并改正后，實驗就進展得很順利了，但由于測量數(shù)據(jù)較多，還是花費了不 少時間。由于使用了滑動變阻器，數(shù)據(jù)測量變得更加準確，但教師說滑動變阻器 在使用過程中可能改變阻值，使測量不準確，所以最好的方法是測得滑動變阻器 調好的阻值后，用值最接近的色環(huán)電阻代替，這點在以后的實驗過程中我會注意。實驗前，我認真檢查了