電容測試儀低頻課程設(shè)計報告

1、-PAGE . z. . . . word . .電容測試儀設(shè)計：*：*電容測試儀設(shè)計前言電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“存儲電荷的容器。盡管電容器品種繁多，但它們的根本結(jié)果和原理是一樣的。兩片相距很近的金屬中間被*物質(zhì)固體、氣體或液體所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為極板，中間的物質(zhì)叫做戒指。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。不同的電容器存儲電荷的能力也不一樣。規(guī)定把電容器外加1伏特直流電壓時所儲存的電荷量稱為該電容器的電容量。電

2、容的根本單位為法拉F。但實際上，法拉是一個很不成用的單位，因為電容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法F、納法nF、皮法pF等，它們的關(guān)系是：1F=106F=109nF=1012pF。電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對電路的性能有重要的影響，本課設(shè)就是對電容器容量的測量。摘要：LM555是使用幾位廣泛的一種通用集成電路。LM555系列功能強(qiáng)大、使用靈活、適用圍寬、可用來生產(chǎn)時間延遲和多種脈沖信號，因此被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中。本設(shè)計利用LM555構(gòu)成設(shè)計一個多諧振蕩器，由于其輸出脈寬tw與電容C成正比，把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，在利用積分器，將電容的容量通過數(shù)字電壓表的

3、直流檔直接顯示，從而構(gòu)成一個簡易的電容器容量的測量電路。關(guān)鍵詞：無穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器、單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖、積分器二、設(shè)計任務(wù) 本課題要求利用LM555設(shè)計一個測量電容器容量的電路，電容的容量值通過數(shù)字電壓表的直流檔直接顯示。三、技術(shù)指標(biāo)1熟悉電路的工作原理。2電容測量圍：1.0nF10.0F。3可以分檔測量。4電源電壓在12V電源圍選擇。四、設(shè)計要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)化3設(shè)計的電路先通過計算機(jī)仿真。4555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(shù)指標(biāo)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

4、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(fù)位端，當(dāng)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(dāng)其外接一個輸入電壓，即改變了比擬器的參考電平，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(dāng)芯片部三極管導(dǎo)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(gòu)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

5、入端。在電路接通電源時，由于電容C1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(R1+R2)對電容C1充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C1的充電，Vc電位不斷升高，當(dāng)Vccc時，電路輸出(即3端口)反轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次自動翻轉(zhuǎn)。與此同時，555芯片部的三極管導(dǎo)通，電容C1放電，電路進(jìn)入另一暫穩(wěn)態(tài)。在這一暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C1的放電，使Vc電位逐步下降。當(dāng)Vc下降至Vccc時，使電路輸出(即3端口)翻轉(zhuǎn)為高電平，電路又一次自動發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此后，重復(fù)上述電容C1的充電過程，如此反復(fù)，形成多諧振蕩。其工作波

6、形如圖一所示。tcccc00VOttw2tw1圖1 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tw1=0.7(R1+R2)C1在電容放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw2=0.7R2C1因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tw1+ tw2=0.7(R1+2R2)C1振蕩頻率為f = 1.44 / ( R1 +2 R2) C1第二局部：555定時器構(gòu)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Vcc，構(gòu)成反相器。反相器輸出端7接待測電容C*到地，同時7端口和6端口連接在一起。這樣，構(gòu)成積分型單穩(wěn)態(tài)觸

7、發(fā)器，其工作波形如圖2所示。Vi0tVc0tccccVo0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(diào)量程的電阻對待測電容充電，使6端口電位上升。當(dāng)其充電至大于cc時，輸出Vo為低電平。同時，待測電容C*放電，最后放電至0，這是穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)Vi輸入信號下降沿到達(dá)時，Vi=0，使輸出為高電平。電路受觸發(fā)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。與此同時，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于C*的充電，使6端口電位逐漸上升。當(dāng)其大于cc時，電路輸出為低電平，又自動發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，暫穩(wěn)態(tài)完畢。同時，待測電容很快放電至0，電路恢復(fù)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(diào)量程電阻和待測電容

8、，不難求出輸出脈沖的寬度tw為tw=RCln所以tw越寬，輸出的平均電流值越大，反之，則小。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(guān)系為通過積分，輸出的電壓為一穩(wěn)定值，選擇適當(dāng)?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470K檔;測10.0nf100.0nf的電容值，選擇47 K檔；測100.0nf1000.0nf的電容值，選擇4.7 K檔；測1.0f10.0f的電容值，選擇

9、470 檔。表1 仿真數(shù)據(jù)測量圍C*/nf理論值R*檔位C/nf仿真測量值相對誤差1nf10nf3.2470K3.1730.84%1nf10nf6.8470 K6.7490.75%10nf100nf3247K31.511.53%10nf100nf6847 K67.680.47%100nf1f3204.7 K328.332.60%100nF1f6804.7 K653.9nf0.92%1f10f320047031062.94%1f10f680047065583.56%注：實際仿真測試時，由于接上四腳開關(guān)使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以并沒有連接四腳開關(guān)，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。圖4

10、：仿真波形九、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(shè)計的缺陷，每檔電容值首數(shù)字在4以下的測量就不準(zhǔn)確了(如量程在10.0nf至100.0nf之間時，10.0nf40.0nf的電容值就測不準(zhǔn)確了)，需要并聯(lián)一較大電容才能準(zhǔn)確測量。所以為了實際中在不知電容值大小的情況下能準(zhǔn)確定位其測量檔位及電容值，我采取了如下方法：當(dāng)被測電容接入電路后，先選擇最小檔測量，如果滿偏，則換上一檔，直至不滿偏，證明是該檔電容，假設(shè)測出來的電壓值在6以下或6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)則并聯(lián)一電容

11、，使其數(shù)值不超過10并大于6，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(shè)值不在六以下，則測出來的電容值是多少就讀多少。由于每檔都是4以下的值測不準(zhǔn)，所以理論上我想選擇用電壓值顯示為4時的電容值來并聯(lián)測不準(zhǔn)的電容，以便準(zhǔn)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。我每檔選擇的并聯(lián)電容值示之如下：1nf10nf檔位： C4=4nf10nf100nf檔位： C5=40nf100nf1f檔位： C6=400nf1f10f檔位： C7=4f由于實驗室元器件有限，所以電阻R3、R4、R5、R6得到分別選擇有四個電阻串聯(lián)得到，既：R3=200k2+50k+20k=470k；R

12、4=20k2+5k+2k=47k；R5=2k2+500+200=4.7k；R6=2002+50=450。同時，局部不能直接提供的電容C1、C4、C5、C6、C7也選擇分別由既有電容并聯(lián)得到，既：C1=1033=30nf；C4=1024=4nf；C5=1034=40nf；C6=1044=400nf；C7=1054=4f。表2，實際測量數(shù)據(jù)：測量圍C*/nf理論值R*檔位C/nf實際測量值相對誤差1nf10nf3.4470K3.472.05%1nf10nf6.8470 K6.671.91%10nf100nf2247K22.31.36%10nf100nf6647 K63.93.18%100nf1f3

13、304.7 K3203.03%100nF1f6604.7 K6681.21%1f10f3000450029202.67%1f10f600045058802.00%教師在檢查過程中，將330nf電容作為待測電容，進(jìn)展測量。將電路準(zhǔn)備好后，J1處斷開狀態(tài)，S1接電阻470K，從最小量程測起，此時電壓表示數(shù)超過10V，即所選量程過小。為簡化實驗步驟，直接連接了4.7K電阻，并將J1閉合，S2接并聯(lián)電容400nf，電壓表示數(shù)為7.20V，所以，待測電容的測量值為320nf。數(shù)據(jù)相對誤差為3.03%，在允許誤差圍，說明測試成功。十、實驗總結(jié)本次試驗，我完成了電容測試儀的設(shè)計，實驗結(jié)果滿足精度要求，并且成

14、功測試了未知電容的數(shù)值。實驗過程中，由于對電路原理圖理解不夠透徹，導(dǎo)致面包板上元器件排列不夠合理，還使多用了導(dǎo)線，還使操作變得復(fù)雜，加上操作生疏，結(jié)果實驗電路雖符合原理，但不能測出準(zhǔn)確值。經(jīng)過仔細(xì)檢查后，我重新連接了整個電路，元器件擺放更加條理清晰，且減少了導(dǎo)線的使用。連接完成后仔細(xì)檢查，沒有漏連、短路、斷路的元器件。然后接通電源，發(fā)現(xiàn)仍不能測出數(shù)值。于是，對照仿真電路，用萬用表直流電壓檔測量各節(jié)點電壓，發(fā)現(xiàn)面包板有斷路。用導(dǎo)線將斷路的面包板連接好后，成功測出第一個準(zhǔn)確數(shù)值。由理論電路搬到實際電路中來的時候，肯定會產(chǎn)生誤差，因為導(dǎo)線會有電阻，電容電阻值也不一定是剛好的那個值，儀器也會有誤差，所以，要通過改變一些電阻值來到達(dá)理想的實驗效果，調(diào)試過程中要耐心且細(xì)心，