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1、 绪论电阻、电容、电感是电工领域中最基本的物理量。对于从事电气技术的工作者、生产人员，电容测量仪是不可缺少的常用仪表。任何一种仪器、仪表在保证一定的技术指标的前提下，结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉是评价其优劣的一项综合指标。随着科技的不断发展，人类的不断进步，在电子技术领域的发展可谓突飞猛进，然而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着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。而目前电容量的测量仪器电容测量仪的应用越来越广泛，电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，而目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。如：YD2612A/12B 电容测量
2、仪，它有着良好的测试稳定性，抗冲击能力强。如：TH2615系列电容测量仪，它是一种易操作、智能化的电容测量仪，仪器价格低，测试速度快。如：多频 HF2617 电容测量仪，它的可靠性稳定性强，测量显示直观，适用性好。本系统设计主要采用 555 集成定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器等电路把被测电容的电容量转换成电压量，再把电压量通过 CC7107AD 转换器把电压量转换成数字量并显示，从而实现电容测量。由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地
3、了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。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，此次我的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。 目录1. 系统概述.31.1 设计指标.31.2 方案论证.31.3 方案选择.41.4 设计原理.52.模块设计 .62.1 控制器电路.62.2 时钟脉冲发生器.72.3 计数和显示电路.83.单元电路设计.103.1 直流稳压电源设计.103.2 产生波形设计方案.113.3 数码管显示电路.133.4 单位显示电路.143.5 量程选择错误指示电路.154.芯片简介.164.1 555 芯片.
4、164.2 74LS160 芯片介绍.175.电路总体描述及功能实现.195.1 电路参数选择.195.2 产品使用说明.195.3 安装与调试.196.结论.226.1 总结.226.2 收获与体会.22附录.24附录 A.24附录 B.25参考文献.261.系统概述 1.1 设计指标(1) 自制稳压电源。(2) 被测电容的容量在 100pF 至 10000pF 范围内。(3) 设计两个测量量程。(4) 用 4 为数码管显示测量结果，测量误差小于 1%。1.2 方案论证数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设
5、计要点可分为俩部分：一部分是数码管显示，另一部分就是要将 Cx值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：方案一：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成数字量显 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，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RC31.1RC。从式中可以看出，当固定时，改变电容 C 则输出脉宽 tw 跟着改变，由 tw 的宽度就可以求出电容的 大小。把单稳态触发器的输出电压 Vo 取平均值，由于电容量的不同，tw 的宽度也不同，则 Vo 的平均值也不同，由 Vo 的平均值大小可以得到电容 C 的大小。如果把平均值
6、送到 A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。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。方案二：用阻抗法测 R、L、C 有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，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。方案三：像测量 R 一样，测量电容 C 的最经典方法是电桥法，如图 1.1 所示。只是电容C 要用交流电桥测量。电桥的平衡条件是：Z1*Zn*expj（ 1+ n） =Z 2*Zx*expj（ 2+ x） 图 1.1 电桥电路通过调节阻抗 Z1、Z 2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
7、路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案四：应用基本思想：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。先把电容 C 转换成宽度为 tw 的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出 C 的值，并送出显示，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，该计数脉冲送至计数锁存译码显示系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率 f 是数字电路很容易处理的数字量，
8、这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。1.3 方案选择本设计中用 555 振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值。或者把此脉冲作为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。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程
9、。如果超过电容的量程，则报警并清零。利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx 严格 与 Cx 成正比只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示 如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字 N 便是 Cx 的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。1.4 设计原理1.3.1 原理框图如图 1.2图 1.2 电容测量仪原理框图2.模块设计2.1 控制器电路控制器的主
10、要功能是根据被测电容 Cx 的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度 Tx图 2.1 所示为单稳态控制电路的原理图该电路的工作原理如下：图 2.1 单稳态控制电路的原理图当被测电容 Cx 接到电路中之后，只要按一下开关 S，电源电压 Vcc 经微分电路、 和反向器，送给 555 定时器的低电平触发端 2 一个负脉冲信号使单稳态触发器1CR由稳态变为暂稳态，其输出端 3 由低电平变为高电平该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数暂稳态的脉冲宽度为 Tx=1.1RCx然后单稳态电路又回到稳态，其输出端 3 变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与 RCx 成正比如果 R 固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与 Cx 的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。由于设计要求 ，Cx 的变化范围为 1 999 ，且测量的时间小于 2s，即 FTx2s，也就是 Cx 最大(999 )时 Tx2s，根据 Tx=1.1RCx 可求得 ：F取 R=1.8K微分电路可取经验数值，取 =1K， =10K， =l 。1R21CF2.2 时钟脉冲发生器这里选用由 555 定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图如图 2.2 所示。图 2.2 电路原理图振荡波形的周
