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1、哈尔滨工业大学毕业设计（论文）摘 要根据时代的发展和需求，每一种电子设备、仪器仪表都在不断的更新换代，数字显示电容器定值器也一样，它也要随着社会的需要而不断的发展、进步。以往的数字电容表受环境、温度和其他条件影响所测得的电容容值不准确。所以设计了数字显示电容器定值器。这个仪器测量电容器时不受外界温度影响，测量准确，价格便宜，使用方便。本课题主要运用数字电子技术理论中的计数器、译码器和模拟电子理论的集成运算放大器部分中的恒流源来实现的。在本文中介绍了整体构想设计，详细分析和论述了各单元电路的设计，包括电路设计思想，工作原理等；整机的工作原理；更加系统的介绍了电路的安装、调试、检测电路和电路中的主
2、要波形和测量数据。关键词 闸门电路；脉冲信号发生器；数码显示 , , , , , . , . , , , . , . , , , ; ; , . 目录摘 要III第1章 绪论11.1 研究背景11.2 立题的目的和意义11.3 设计要求1第2章 系统设计22.1 方案比较22.2 方案论证42.2.1 总体思路42.2.2 设计方案52.2.3 框图的说明52.2.4 特点与意义52.3 本章小结6第3章 各单元电路的设计与计算73.1 闸门电路的设计73.1.1 闸门电路的工作原理73.1.2 单稳态触发器83.1.3 恒流源电路113.2 脉冲信号发生器113.3 数字显示电路设计153.
3、3.1 译码、计数电路设计163.3.2 LED显示电路的设计173.4 本章小结20第4章 整机工作原理214.1 工作原理214.2 本章小结22第5章 电路的安装、测量与调试235.1 元器件的测量235.2 电路的安装255.3 电路的调试255.4 本章小结27结 论28致 谢29参考文献30附录131附录232附录333附录434 IV 第1章 绪论1.1 研究背景数字电容表是一种专门用于测量电容容量的数字化仪表。虽然一些数字万用表也具有测量电容的功能，但数字电容表测量范围更宽，分辨率更高，测量误差更小。近几年来数字电容表广泛的应用于生活、实验中，给电子工作人员和电子工程师带来测量
4、的方便。有的测量电容容值的方法是把测得的数值从电流表上直接读出。1.2 立题的目的和意义根据时代的发展和需求，每一种电子设备、仪器仪表都在不断的更新换代，例如：示波器已经研制出量程高达100MHz液晶显示的。每一种电子产品都在推陈出新，所以数字显示电容器定值器也一样，它也要随着社会的需要而不断的发展、进步。以往的数字电容表受环境、温度和其他条件影响所测得的电容值不准确。所以设计新型测量仪表，节省成本，提高效率，是一个新的尝试，用以满足大多数电子工作者的要求，从测量范围宽，测量精度较高，为此，提出一种新式的数字显示电容器定值器。1.3 设计要求1.主要功能： 测量电容器时不受外界温度影响 测量准
5、确2.技术指标： 四位数码显示； 测量电容器的容量值范围：100pF100uF 精度：1%第2章 系统设计2.1 方案比较目前，测量电子器件参数C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。常见的有单稳态电容表、电荷注入式电容表、线性电荷注入式电容表。1.单稳态电容量测量法的基本构思。其测量方法如图2-1所示。图2-1单稳态电容表工作原理：单稳态在固定的时间间隔内，由来自振荡器的一个脉冲触发。单稳态具有正比于定时电容值的定时周期，这个定时电容器就是待测电容器。假定振荡器工作在固定频率以及单稳态的输出脉冲振幅是恒定的，那末单稳态输出的标记占空比，因而也就是跨于C上的平均电压，将正比于待
6、测电容量。选择R1及C1，使在脉动和稳定时间之间得到适当的折衷。这种电路工作得好坏，取决于整个电路设计所作的精心处理。值得注意的是有三个必须精确控制的参数；振荡器的频率、单稳态的输出振幅以及待测电容量和单稳态周期之间的线性关系。它们之中任一量值的偏移，将会引起输出电压成比例的变化。假若能减少一些临界值范围，显然有理由期待电容表的精度得到相应的改善。2. 电荷注入式电容量测量法的基本构思。电路如图2-2所示。图2-2电荷注入式电容器工作原理：振荡器产生恒定频率和振幅的输出，并经由R1加到待测电容器C上。当振荡器输出为低电平时，C将经由D放电。而当振荡器输出上升时，电荷从C经由D2转移到C（R为限
7、流电阻器）。假定忽略C1上的电压上升，转移的电荷量将为式（2-1） VC （2-1）式中，V为振荡器的高电平输出电压。转移电荷量以每秒f次产生，f为振荡器频率。因此，每秒总的转移电荷量（换言之，就是平均电流）将为式（2-2） （A） （2-2） 因此，跨于上的平均电压为式（2-3） （V） （2-2）当、V及f为恒定值时，跨于上的电压将正比于。忽略上的电压上升会产生的限制，因为该电压就是输出电压。当上的电压上升时，减少了可用于通过而注入电荷的电压值。因此。当值增大时，相应的输出电压的增加将逐渐地变得更小。换句话说，电容量和输出电压之间的关系并非全部为线性。比较好的结果可将输出限制在低电压范围内
8、（比如说0100mv），而且为使电路完全线性，应将电荷转变成恒定电压。3. 线性电荷注入式电容量测量法的基本构思。电路如图2-3所示。图2-3线性电荷注入式电容器工作原理：附加到电压变换器的虚地电流，提供了用于电荷转移的恒定电压点。反向二极管是为了电容量增大时，仍是输出电压增大。当从虚地点经由刘国的电流，等于流过的平均电流时，输出电压仍然等于。选择的数值，以便得到适当的稳定时间而无过大的脉动。的选择与相同。对大电容的来说，与振荡周期的关系不大，应将峰值电流限制到振荡器的输出电压能适当的数值。4.通过对上述各种电容表的研究，综合以上其优点设计出自己的课题方案。2.2 方案论证通过2.1节的方案比
9、较，阐述本次课题设计的论证。2.2.1 总体思路本设计中，把被测电容器接入电路通过闸门电路产生开门时间，再通过脉冲信号发生器对闸门电路产生开门时间的脉冲宽度计数。把计得的数送入十进制计数器在送入译码器，通过数码管显示出来。2.2.2 设计方案该设计方案的总体方框图如图2-4所示。图2-4 设计的总体方框图 2.2.3 框图的说明将被测电容器插入被测电容器端口，用复位开关对电路中的闸门电路进行复位，使其闸门电路进行清零，然后触动触发开关对闸门电路进行触发产生开门时间，用开门时间控制振荡器产生脉冲信号，并对信号进行计数。把计得的数送入十进制计数器在送入译码器，通过数码管显示出频率的数值。2.2.4
10、 特点与意义测量电容器容量范围更宽，分辨率更高，测量误差更小。四位LED数码显示用以提高计数精度。使用比较法测电容器容量。价格便宜。测试时不受外界环境温度影响。2.3 本章小结本章主要介绍对设计方案的选择、确定、以及方框图的设计及其框图的说明。第3章 各单元电路的设计与计算31 闸门电路的设计由单稳态触发器和恒流源组成3.1.1闸门电路的工作原理闸门电路的电路图如3-1所示。图3-1闸门电路工作原理：当对电路供电时，电源通过R1对C1充电，当C1充满电时，当按下S2键时，电容C1开始放电，此时，也对NE555的触发输入端2脚施加触发信号（Vi1/3VCC），触发器发生翻转，电路进入暂稳态，VO输出高电平，NE555内RS触发器置1，且放电管BJT T截止。此后电容CR由PNP型三极管（Q1）和电阻R4、R5与电位器VR1构成的恒流源电路对其进行充电，有VC=IOt/C,故电容CR两端电压VC随时间线性增长。当VC2/3VCC时，电路又发生翻转，VO为低电平，BJT T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则VC从零电平上升到2/3VCC的时间，即为输出电压VO的脉宽tW 。输出脉宽tWtW=（2/3VCC）/IO （3-1）tW为电容CR
