《2022年数字式电容测量仪设计方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年数字式电容测量仪设计方案（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、个人资料整理仅限学习使用摘要本设计是基于555 定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容xC。其脉冲输入信号是 555 定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容xC值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741 以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压ov与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将ov输入到 7
2、448译码器中翻译成 BCD 码，输入到 LED 数码管中显示出来关键词：电容， 555定时器，滤波器，线性，译码器，LED 数码管精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用目录一、测量系统的方案设计31.1、测量部分的系统方案设计31.1.1、恒亚充电法测量31.1.2、恒流充电法测量31.1.3、脉冲计数法测量31.2、测量信号数字化系统方案选择31.2.1、利用单片机进行编程翻译 41.2.2、利用译码器进行翻译4二、单元电路的设计及原理4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师
3、归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用2.1、电容值测量电路及原理42.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理62.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理72.1.3、滤波器工作电路图及原理 82.2、模拟信号的处理以及数字化显示9 三、系统参数设定10四、结论及谢词114.1、结论114.2、谢词11精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用参考文献12附表：元器件明细表13一系统方案设计1.1 测量部分的系统方案设计1.1.1:恒压充电法测量。用一个电阻和
4、电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：tuidCd。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。1.1.2：恒流充电法测量。用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用 AD 或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是：qCu.qit. 所以itUc。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提
5、高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。1.1.3：用脉冲计数法测量电容。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用由 555 定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f121.43(2)RRC，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555 定时器和一个电阻以及一个电容xC 构成单稳态触发器 , 并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号1ov 作为单稳态触发器的触发信号。根据电
6、容xC 的大小来调节占空比1.1wxTRC 。LM741 与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号2ov滤波成为稳定的输出电压ov 。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法1.2测量信号数字化系统方案选择1.2.1：利用单片机进行编程翻译。将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED 数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片
7、机，因此设计成本将大大提高很不经济，且测量环境要求较高。1.2.2：利用译码器进行翻译。将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED 数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448 译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。二单元电路的设计及原理此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1 电容值测量电路及原理精选学习资料 - - - - - - - - - 名
8、师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用2.1.1多谐振荡器电路图及工作原理555 定 时 器 构 成 一 个 多 谐 振 荡 器 ， 其 电 路 图 如 图2-1-1 所 示 ：图 2-1-1 555 定时器构成多谐振荡器其电路工作原理是：接通电源后，电容C 被充电，当cv 上升到23CCV时，使ov 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C通过2R 和 T 放电，cv 下降。当cv 下 降 到3CCV时 ，ov 翻 转 为 高 电 平 。 电 容 器 充 放 电 所 需 时 间为:22ln 20.7pLtR CR C当放电结束时， T 截止
9、，CCV将通过1R 、2R 向电容器C 充电，cv 由3CCV上升到23CCV所需的时间为：1212()ln 20.7()pHtRR CRR C当上升到23CCV时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：1211.43(2)pLpHfttRR C2.1.2单稳态触发器电路图及工作原理555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2a）所示。其简化电路如图 2-1-2b）所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用图 2-1-2a）5
10、55 定时器构成第三稳态触发器电路图 2-1-2b）555 定时器构成单稳态触发器的简化电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用其工作原理是：没有触发信号时1v 处于高电平 1v 3CCV），如果接通电源后 Q=0ov =0，T 导通，电容通过放电三极管放电，使cv =0，ov 保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管 T 就会截止，电源通过电阻R 向电容xC 充电，当cv 上升到23CCV时，由于 R=0,S=1 锁存器置 0，ov 为低电平。此时放电三极管 T 导通，电容xC 放电
11、，ov 保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态ov =0。若触发输入端施加触发信号1v 3CCV），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T 截止。此后电容xC 充电，当xC 充电至cv =23CCV时，电路的输出端电压ov 由高电平翻转为低电平，同时T 导通，于是电容xC 放电，电路返回到稳定状态。如果忽略 T 的饱和压降，则cv 从零电平上升到23CCV的时间，即为输出电压ov 的脉宽wtln31.1wxxtRCRC通常 R 的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度
12、可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可以保证测量的范围能够达到100pF100uF 。2.1.3率波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容有源滤波器。其电路结构如图2-1-3 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用图 2-1-3 LM741 组成的阻容滤波器其工作原理是LM741 可以对占空比为wt 的信号ov 进行平滑滤波，使最后产生出来的信号 即是图 2-1-3 中的 ）与被测量的xC 呈线性关系。2.1.4滤波器工作电路图及原理测试部分所用的总的电路图如图2
13、-1-4 所示。图中的xC 即是被测量的电容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为1518伏特之间。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用图 2-1-4 测量电路总图2.2模拟信号的处理以及数字化显示在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的BCD 码送入 LED 数码管中，显示出来。其电路结构如图2-2-1图 2.2给出 BCD七段显示译码器7448的逻辑图。如果不考虑逻辑图中由G1G4组成的附加控制电路的影响即 G3和 G4的输出为高电平），则YaYg与A3、A
14、2、A1、A0之间的逻辑关系为：0121230112023012012012012012230120121302130123AAAAAAYAAAAAAAYAAAYAAAAAAAAAYAAAAAYAAAAAAAAYAAAAAAAAYgfedcba精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用根据 BCD七段显示译码器的逻辑关系式和逻辑图可列出真值表如表22 LED 数码管的构造和显示原理： LED 数码管分为共阳极与共阴极两种，如图222a）所示，内部结构如图222b）c）所示。 ag 代表 7 个笔段
15、的驱动端，亦称笔段电极。DP 是小数点。第3 脚与第 8 脚内部连通， +代表公共阳极， -表示公共阴极。对于共阳极LED 数码管 如图 222a）,b）所示），将 8 只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接供电平时可以发光。共阴极LED 数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，-端接低电平时才能发光。 LED 数码管的特点：1.能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL 电路兼容。2.发光相应时间极短 0.1us），高频特性好，单色性好，亮度高。3.体积小，重量轻，抗冲击性好。YaYbYcYdYe
16、Yf YgG13G14G15G16G17G18G19G3A0G9A1G10A2G11A3G12G4G5G6G7G8G1G2RBILTRBOBI /A0A1A2A3图 2-2-1 BCD 七段显示译码器7448 的逻辑图& & & & & & & & 1 1 1 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & & 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用4.寿命长，使用寿命在10 万小时以上，甚至可以达到100万小时。5.成本低。三系统参数设定系统的参数决定了系统测量的范围在触发器中，本设
17、计在单稳态触发器中的电阻值取为 47K, 由公式：ln31.1wxxtRCRC计算可得。被测电阻在100pF100uF内产生的脉宽为0.000047s0.47s 。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz。即f2Hz取多谐振荡器中的电阻值1R =2R =150K。再由公式：1211.43(2)pLpHfttRR C计算可得多谐振荡器中电容可以取为1.5uF。在数字显示电路中，因为是使用了7448 译码器译码，则相应的LED 数码管选为共阴极数码管。其他元器件的取值以及相应的规格详见附录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，
18、共 15 页个人资料整理仅限学习使用四设计结论以及谢词4.1 设计结论本设计主要应用于100pF100uF 电容器的测量。设计中应用了单稳态触发器，多谐振荡器，滤波器，译码器，LED 数码管显示器等等。测量比较精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容器测量。4.2 谢词此次毕业设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB 仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极查阅资料，并且一遍又一遍的重复实践，直到我期望的结果实现。事实也证明我的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我带来了成功的喜悦！通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步
19、骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次设计的成功不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力！通过这次的电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：能够充分利用书籍和网络资源查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对 protel 99、和 EWB 等仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要。在这过程中，当我遇到些不能解决的问题时，我及时查阅资料以及向同学请教，使我们少走弯路，顺利完成毕
20、业设计。另外对此次设计帮助过我的老师及同学，我对你们表示感谢，谢谢你们！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 15 页个人资料整理仅限学习使用参考文献康华光电子技术基础 555 定时器2 LM741 放大器1 3 共阴极 LED数码管4 4 7448 译码器4 5 R(150K 2 6 R(47K 1 7 R(220K 3 8 C(1.5uF 7 9 C(0.01uF 2 10 C(50uF 2 11 SW-PB 4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 15 页
