畢業(yè)設計：數字式電容測量儀的設計

1、摘要本設計是基于555定時器，連接構成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測量的電容Cx。其脈沖輸入信號是555定時器構成的多諧振蕩器所產生。信號的頻率可以根據所選的電阻，電容的參數而調節(jié)。這樣便可以定量的確定被測電容的容值范圍。因為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據電容Cx值的不同而不同的，所以脈寬即是對應的電容值，其精度可以達到0.1%。然后在電路中加入一個由LM741以及一個電容和一個電阻構成的阻容平滑濾波器，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的信號濾波，使最終輸出電壓vo與被測量的電容值呈線性關系。最后是輸出電壓的數字化，將vo輸入到7448譯碼器中翻譯成BCD碼，輸入

2、到LED數碼管中顯示出來關鍵詞：電容，555定時器，濾波器，線性，譯碼器，LED數碼管目錄一、測量系統(tǒng)的方案設計········································

3、3;·····31.1、測量部分的系統(tǒng)方案設計·····································31.1.1、恒亞充電法測量··

4、3;················································31.1.2、恒流充

5、電法測量·················································&#

6、183;·31.1.3、脈沖計數法測量··············································

7、·····31.2、測量信號數字化系統(tǒng)方案選擇································31.2.1、利用單片機進行編程翻譯·······

8、···································41.2.2、利用譯碼器進行翻譯············&#

9、183;·································4二、單元電路的設計及原理··············&

10、#183;······························42.1、 電容值測量電路及原理················

11、83;······················42.1.1、多諧振蕩器電路圖及工作原理························&

12、#183;··············62.1.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理·······························

13、3;·····72.1.3、濾波器工作電路圖及原理·········································

14、3;82.2、模擬信號的處理以及數字化顯示·····························9三、系統(tǒng)參數設定················

15、······································10四、結論及謝詞··········

16、83;·············································114.1、結論···&

17、#183;·················································&

18、#183;·······114.2、謝詞·········································

19、;···················11 參考文獻·····························

20、3;····································12附表：元器件明細表············

21、;··········································13一 系統(tǒng)方案設計1.1 測量部分的系統(tǒng)方案設計1.1.1:恒壓充電法測量。用一個電阻和電容

22、串聯(lián)，用恒壓源對電容進行充電，然后根據電容充電的曲線超過某個固定電壓所需要的時間，利用曲線擬合的方法測量。測量所使用的原始公式是：C=idt。可見電容的值和電壓以及時間呈微分關系。用這種方法測du量，時間和容值是非線性的。因此測量難度高，精度低，并且難以實現數字化。1.1.2：恒流充電法測量。用恒流源對電容充電，此時電容的容量和充電時間是成正比的，所以可以利用AD或者比較功能同某個固定電壓比較，來實現電容測量。測量所用的原始公式是： C=qit.q=it.所以U=。恒流源的電流大小是已知的，時間和cu電壓也可以測量出來。由上面的公式即可求得電容的大小。使用這種方法來測量，精度較上一種方法有所提

23、高，且便于操作和實現。但要使用恒流源，恒流源的的設計要求很高，且達不到測量所需要的精度要求，因此這種方法也不適用。1.1.3：用脈沖計數法測量電容。由555定時器兩個電阻以及一個電容，構成的多諧振蕩電路，產生較為穩(wěn)定的振蕩頻率計算的公式為：f1.43，這個頻率可以自己選擇電阻和電(R1+2R2)C容的值確定。再由一個555定時器和一個電阻以及一個電容Cx構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,并將以上述多諧振蕩電路產生的振蕩信號vo1作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號。根據電容Cx的大小來調節(jié)占空比Tw1.1RCx。LM741與兩個電容以及一個電阻構成阻容有源濾波器。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產生的輸出信號vo2濾波成為穩(wěn)定的輸出電

24、壓vo。此方法測量比較精確，并且容易調節(jié)所測量電容值的范圍（只需調節(jié)構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻的大小即可）。綜合上述的三種方法，我所選擇的是第三種方法1.2 測量信號數字化系統(tǒng)方案選擇1.2.1：利用單片機進行編程翻譯。將測量得出的電壓信號值，輸入事先編好程序的單片機當中，應用單片機將電壓信號翻譯出來送入LED數碼顯示管中，顯示出對應的數據。選用的單片機可以為凌陽單片機。該方法顯示出的數據精確。而且設計，操作都很簡單且功能易于擴展，但要用到單片機，因此設計成本將大大提高很不經濟，且測量環(huán)境要求較高。1.2.2：利用譯碼器進行翻譯。將測量出的結果輸入譯碼器當中，利用譯碼器將電信號翻譯，然后輸入到LE

25、D數碼顯示管中，最后顯示出對應的數據。選擇的譯碼器可以為7448譯碼器。該方法所用到的器材較為便宜，且做成的成品便攜。但顯示不是非常精確，并且功能會很單一。這里測量精確要求不是很高，故選擇第二種方案。二 單元電路的設計及原理此方案主要分為兩個方面：1.電容量的測量，最后得出來的結果是最后輸出電壓信號。2.將輸出來的電壓信號經翻譯成為數字信號，由數碼管顯示出來。2.1 電容值測量電路及原理2.1.1 多諧振蕩器電路圖及工作原理555定時器構成一個多諧振蕩器，其電路圖如圖2-1-1所示：圖2-1-1 555定時器構成多諧振蕩器其電路工作原理是：接通電源后，電容C被充電，當vc上升到2VCC時，使v

26、o3為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過R2和T放電，vc下降。當vc下降到VCC時，vo翻轉為高電平。電容器充放電所需時間3為:tpL=R2Cln20.7R2C當放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，vc由到VCC上升32VCC所需的時間為：tpH=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C 32V當上升到CC時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的3輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為：f=2.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理 11.43 tpL+tpH(R1+2R2)C555定時器構成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路圖如圖2-1-2（a）所

27、示。其簡化電路如圖2-1-2（b）所示：圖2-1-2（a）555定時器構成第三穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖2-1-2（b）555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的簡化電路其工作原理是：沒有觸發(fā)信號時v1處于高電平（v1VCC），如果接通3電源后Q=0vo=0，T導通，電容通過放電三極管放電，使vc=0，vo保持低電平不變。如果電源接通后Q=1，放電三極管T就會截止，電源通過電阻R向電容Cx充電，當vc上升到2VCC時，由于R=0,S=1鎖存器置0，vo為低電平。此時放電3三極管T導通，電容Cx放電，vo保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發(fā)信號時，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)vo=0。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（v1VC

28、C），電路的輸出狀態(tài)由低電平跳變3為高電平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管T截止。此后電容Cx充電，當Cx充電至vc=2VCC時，電路的輸出端電壓vo由高電平翻轉為低電平，同時T導通，3于是電容Cx放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降，則vc從零電平上升到壓vo的脈寬twtw=RC 1.R1Cxln3x2VCC的時間，即為輸出電3通常R的取值在幾百歐到幾兆歐之間，電容的取值為幾百皮法到幾百微法。這種電路產生的脈沖寬度可以從幾個微秒到幾分鐘，精度可以達到0.1%。這樣就可以保證測量時的精度。也可以保證測量的范圍能夠達到100pF100uF。2.1.3 率波器工作電路圖及原理利用LM741與

29、電容，電阻組成阻容有源濾波器。其電路結構如圖2-1-3所示。圖2-1-3 LM741組成的阻容濾波器其工作原理是LM741可以對占空比為tw的信號vo進行平滑濾波，使最后產生出來的信號（即是圖2-1-3中的 ）與被測量的Cx呈線性關系。2.1.4 濾波器工作電路圖及原理測試部分所用的總的電路圖如圖2-1-4所示。圖中的Cx即是被測量的電容。圖中的電源是測量電路使用的電源，其值為1518伏特之間。圖2-1-4 測量電路總圖2.2 模擬信號的處理以及數字化顯示在這個環(huán)節(jié)中，直接采用將信號送入7448譯碼器中進行翻譯，并將翻譯成的 BCD碼送入LED數碼管中，顯示出來。其電路結構如圖2-2-1圖2.

30、2給出BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖。如果不考慮邏輯圖中由G1G4組成的附加控制電路的影響（即G3和G4的輸出為高電平），則YaYg與YaYbYcA3、A2、A1、A0之間的邏輯關系為：YdYeYfYg=A3A2A1A0+A3A1+A2A0=A3A1+A2A1A0+A2A1A0=A3A2+A2A1A0=A2A1A0+A2A1A0+A2A1A0 =A2A1+A0=A3A2A0+A2A1+A1A0=A3A2A1+A2A1A00123圖2-2-1 BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖根據BCD七段顯示譯碼器的邏輯關系式和邏輯圖可列出真值表如表22 LED數碼管的構造和顯示原理：LED數碼管分為

31、共陽極與共陰極兩種，如圖222（a）所示，內部結構如圖222（b）（c）所示。ag代表7個筆段的驅動端，亦稱筆段電極。DP是小數點。第3腳與第8腳內部連通，+代表公共陽極，-表示公共陰極。對于共陽極LED數碼管（如圖222（a）,（b）所示），將8只發(fā)光二極管的陽極短接后作為公共陽極。其工作特點是，當筆段電極接低電平，公共陽極接供電平時可以發(fā)光。共陰極LED數碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極短接后作為公共陰極。當驅動信號為高電平，-端接低電平時才能發(fā)光。LED數碼管的特點：1. 能在低電壓、小電流條件下驅動發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。2. 發(fā)光相應時間極短（0.1us），高頻特性好，單色性好，亮度高。3. 體積小，重量輕，抗沖擊性好。4. 壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可以達到100萬小時。5. 成本低。三 系統(tǒng)參數設定系統(tǒng)的參數決定了系統(tǒng)測量的范圍在觸發(fā)器中，本設計在單穩(wěn)態(tài)觸