简易数字式电容测试仪本科

职业技术学院毕业论文题目：简单数字式电容测试学生：XXXX学号： XXXXXXXXXXXX院（系）：职业技术学院专业： XXXXXXXXXXXX指导教师：XXXXXXXXXXX2013 年 5 月 2日陕西科技大学职业技术学院毕业设计（论文）任务书XXXXXX专业XXX班级学生：XX题目：简易数字式电容测试仪毕业设计（论文）从2013年2月5日起到 2013 年5月2日课题的意义及培养目标：现如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。

本数字式电容测试仪采用的是伏安法测电容，设计的被测电容比较小用这种方法测量简单，采用稳压电源提供电压是测量更加精确。

本数字式电容测试仪采用低压测量，设计一个稳压电源提供稳压直流电源，在被测电容两端加以稳压电压就有电流通过，通过采集电流信号，将电流信号在转化为电压信号进行A\D转化处理，处理完数据再送入单片机和显示电路进行显示。

设计（论文）所需收集的原始数据与资料：1 检索模拟放大电路理论基础2. 电子元器件基础3. 检索A/D转换电路理论基础4. 电路模拟技术及硬件5 单片机基础课题的主要任务（需附有技术指标分析）：1. 了解数字式电容测试仪的设计思路及方法2. 熟悉测量仪器的使用3. 掌握信号处理的方法4. 掌握电子系统设计5. 综合运用数字电路，模拟电路和单片机技术的综合技术6. 研究数字式电容测试仪的应用7. 掌握单片机系统设计设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：学生签名：日期：指导教师：日期：教研室主任：日期：简易数字式电容测试仪摘要由于单稳态触发器的脉冲宽度tw与电容C成正比，把电容C转换成脉冲宽度为tw 的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存—译码—显示系统就可测得电容的数值。

时钟脉冲可由555构成的多谐振荡器提供。

如果的值。

时钟脉冲的各参数合适，数码管显示的数字N便是待测电容Cx关键字:电容测试仪,闸门信号,标准频率脉冲,多谐振荡器,单稳态振荡器, 555, 74160, 计数器Simple digital capacitance testerIIABSTRACTDue to the pulse width of monostable trigger tw is proportional to the capacitance C, the capacitance C is converted into pulse width for tw rectangular pulse, and then use it as a gate signal control counter meter standard frequency pulse number, and send latch - decoding - display system can be measured, the value of capacitance. Clock pulse multivibrator composed of 555 available. If the parameters of the clock pulse, the digital tube display digital is to measure the value of the capacitor Cx N.KEY WORDS: Standard capacitance tester, gate signal ,frequency pulse multivibrator 555 ,74160, monostable oscillator counter目录摘要 (I)A B S T R A C T (1)1专科毕业论文（设计说明书）各部分的装订顺序 (1)1.1系统概述 (2)1.2总体方案的选择及可行性分析 (3)1.3方案论证 (3)2单元电路设计分析 (4)2.1 555定时器 (4)2.2用555定时器构成的单稳态触发器 (5)2.3用555定时器构成的多谐振荡器 (6)2.4占空比可调的多谐振荡器电路 (7)2.5同步十进制计数器74LS160 (8)2.6 位集成寄存器74LS175 (9)2.7 LED数码管 (10)3 结束语 (11)3.1总结 (11)3.2收获与体会 (11)4致谢 (12)5参考文献 (13)6附录 (14)6.1附录一元器件表 (14)数字式电容测试仪 11系统概述1.1总体方案的选择及可行性分析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值，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，它的设计要点可分为俩部分：一部分是LED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进行显示。

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=RC㏑3≈1.1RC。

从式中可以看出，当R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*exp[j（φ1+φn）] =Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书) 2图（1）通过调节阻抗Z1、Z2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，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 方案论证1.3.1 设计思路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，1.3.2设计的总体框图该方案的总体方框图如图2所示：图（2）总体方框图2单元电路设计分析2.1555定时器555电路符号如图3所示，如图4为555等效功能框图中包含两个COMS电压比较器C1和C2，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个组织相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。

三个电阻组成的分压网络为上比较器C1和下比较器C2，它们分别提供2Vcc／3和Vcc／3的偏置电压。

图（3）555等效功能框图uOuI2uI6图（4）2.2 555定时器的工作原理是：当输入电压U i6＜2V cc ／3，U i2＜V cc ／3时，电压比较器C 1反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C 1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C 1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器C 2同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C 2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C 2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS 触发器被置位，输出电压U 0等于1。

555定时器输出与输入的关系也可用功能表来描述，如表1所示 （表1）u I2u I6u IC u O由上表可知：2.2.1 当输入电压 U i6＜2V cc ／3时，U i2从 ＜V cc ／3变化到 ＞V cc ／3时，电压比较器C 1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C 1的输出电压为高电平信号“1”，RS 触发器处在保持的状态，保持 U i6＜2V cc ／3，U i2＜V cc ／3时的输出状态，输出电压U 0等于1。

2.2.2 当输入电压 U i2＞V cc ／3时，U i6从 ＞2V cc ／3变化到 ＜2V cc ／3时，电压比较器C 2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器C 2的输出电压为高电平信号“1”，RS 触发器处在保持的状态，保持 U i6＞2Vcc ／3，U i2＞Vcc ／3时的输出状态，输出电压U 0等于0。

2.2.3 当输入电压 U i6＞2Vcc ／3，U i2＞Vcc ／3时，电压比较器C 1反相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器C 1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C 1的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”， RS 触发器被复位，输出电压U 0等于0。

2.3用555定时器构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图6所示，其工作原理如下：O(a)(b)v 21C3V V CC v CC3tv OtOOt t t CCV 012T T T120当接通电源V cc 后，电容C 上的初始电压为0V ，比较器C 1和C 2输出为1和0，使U o =1，放电管T 截止，电源通过R 1、R 2向C 充电。

U c 上升至2V cc ／3时，RS 触发器被复位，使U o =0，T 导通，电容C 通过R 2到地放电，U c 开始下降，当U c 降到V cc ／3时，输出U o 又翻回到1状态，放电管T 截止，电容C 又开始充电。

如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。

由图6（b ）所示，U c 将在V cc ／3和2V cc ／3之间变化，因而可以求得电容C 上的充电时间T 1和放电时间T 2 ： T 1=（R 1+R 2）C ㏑2≈0.7（R 1+R 2）CT 2=R 2C ㏑2≈0.7R 2C所以输出波形的周期为T=T 1+T 2=（R 1+2R 2）C ㏑2≈0.7（R 1+2R 2）C 振荡频率 f=1／T ≈1.44／[（R 1+2R 2）C] 占空比 q= （R 1+R 2）／（R 1+2R 2）＞50％ 如果R 1＞＞R 2，则q ≈1，U c 近似为锯齿波。