数字电容测试仪课程设计

数字电子技术课程

设计报告

项目名称：数字电容测试仪班级：1611电子姓名：李

瑞（2016111123）

程家豪（2016111104）

胡焱（2016111115）

胡永凯（2016111116）

指导老师：王正强1.1引言

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，此次我们的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。它由测试电路

和显示电路两部分组成。通过使用测试电路中555定时器做多谐振荡器，电容配

合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，再通过计数器记数算出电容的值，从而实

现数码管显示被测电容的容值。该电容测量仪相对比较直观，且误差较小，将在

电容测量方面显示出它读数方便，精确的优越性。

1.2设计任务及要求

1.2.1基本要求

(1)被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内。

(2)设计测量量程。

(3)用3位数码管显示测量结果，测量误差小于20%。

1.2.2发挥部分（选做）

(1)另增一个测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100μF范围内。

(2)测量误差小于10%。

1.2.3设计任务及目标

（1）根据原理图分析各单元电路的功能；

（2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；

（3）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求；

（4）写出完整、详细的课程设计报告。

2．1设计原理本设计中用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。

2．2单元电路设计分析

2.2.1用555定时器构成的多谐振荡器

电路图及其输出波形如图2所示，其工作原理如下：

由图2所示，可以求得电容C1上的充电时间T1和放电时间T2：

T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C

T2=R2C㏑2≈0.7R2C

所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C

R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms

振荡频率f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]≈500Hz

占空比q=（R1+R2）／（R1+2R2）≈58.2％

定时电路多谐振荡器计数器译码器数码显示器

微分电路自动调零

图1原理框图被测电容

4图2多谐振荡电路及输出波形

2.2.2用555定时器构成的单稳态电路

用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图3所示，其工作原理如

下：

接通电源瞬间，Vc=0，输出Vo=1，放电三极管T截止。Vcc通过R给C充

电。当Vc上升到2Vcc／3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器

置0，输出Vo=0.同时放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时

Vi=1.

当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1，电路进入暂稳态。由于Vo=1，

三极管T截止，电源Vcc可通过R给C充电。当电容C充电至Vc=2Vcc／3时电

路又发生翻转，输出Vo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。可见，

暂稳态时间由RC电路参数决定。

若忽略T的饱和压降，则电容C上电压从0V上升到2Vcc／3的时间，即输

出脉冲宽度tw为：tw=RC㏑3≈1.1RC

5图3单稳态电路及输出波形

2.2.374LS160构成的计数器

74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计

数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。由三个71604LS160构成的计数器电路如图4所示

图4计数电路

2.2.474LS273

锁存器由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。74LS273工作原理是：MR

为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输

入信号变动，直至下一个上升沿到来。这里的CLK输入由单稳态输出接反相器

得到。当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁

存。以正确显示电容值。电路如图5所示：

图5锁存电路

2.2.574LS247译码器

74LS247芯片的功能即将四位二进制表示的数进行译码，以驱动共阳的七段

数码管显示其值。电路图如图6所示：

图6译码电路

2.2.6数码管显示电路由任务要求知，用三位数码管显示被测电容值的大小。因为译码电路用的是74LS247，并且0.01uf-1uf档位的设计采用1-100乘以0.01，所以这里选用八段

共阳数码管，当量程为0.01uf-1uf时，第一位数码管的小数点亮。

图7数码管显示电路

2.2.7单位显示电路

单位的显示与量程的选择一致，即当量程为0.01uf-1uf或1uf-100uf时，单

位显示为UF，当量程为100pf-0.01uf时，单位显示为PF.，单位后的小数点亮表

示被测电容值为显示的数值乘以100。

图8单位显示电路

3.1

电路参数选择以电容值47uF为例，因为测试电容的原理是:闸门信号Tw=1.1RCx，而振

荡器输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）

C*N=1.1RCx，等式两边同时约去N和Cx，那么在闸门信号闸门内有N个基准脉

冲，电容值就为N(Cx)。

3.2产品使用说明

将被测电容安装在单稳态电路中电容C3位置处，选择一个量程的开关合上，

并点击运行开关。若显示值在1-100之间，则说明量程选择正确；若显示值为000，

则说明量程选择大，应调小量程；若显示值大于100，则说明量程选择太小，应

调大量程。后两种情况下，量程选择错指示灯会亮。如果单位显示为PF.，说明

被测电容值测量结果应为显示值乘以100。

3.3安装与调试

（1）按照总电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。本设计在proteus软件

里调试，并用Altiumdesigner设计制作PCB，用实物测试调校。

（2）仿真过程中，当点击运行按钮时，555多谐振荡器开始工作，输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计

数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。

（3）在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555单稳态触发器的输入端会

不断地输入方波脉冲，由555单稳态的性质我们可以知道，当负脉冲到来时，单

稳态触发器会输出为宽度为是Tw=1.1RC的正脉冲；

（4）从理论上讲，我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555

单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负

脉冲的到来，因此我们用了一个74LS273做成的锁存器。当555单稳态输出负

脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273

的CP脉冲输出当前的数据；

（5）根据课程设计的要求，我们设计了三个量程，分别由接在555单稳态触发

器6、8脚的电阻器来完成的。通过控制电阻的大小，可以控制输出正脉冲的宽

度，即定时时间长短，间接的控制输出电容的量程，同时在输出不同的量程的时

候，我们通过电路控制不同的单位显示加以区别；

（6）在测试1-100uf电容的过程中，可能是由于电路的影响，显示的电容值在

某一个范围里不停的变动，为此，我们在设计该量程时在多谢振荡器的C2电容

两端并联了电容，以加大输出波形的周期，同时为了不使测量结果发生变化，将

该量程下的单稳态电路6、8间的电阻扩大至同样的倍数。这样设计后，显示很

稳定。

调试正常后，选取了6个待测电容进行测量，数据如下表4-1所示。其中部分仿

真结果如下图所示：

图9100pf被测电容仿真结果

图100.47uf被测电容仿真结果图1168uf被测电容仿真结果

表3-1调试结果记录被测电容标称值测量值测量误差C1100pF(101)1*100pF0

C22000pF(332)21*100pF5%

C30.01uF(103)0.01uF0

C40.47uF(333)0.47uF0

C51uF(684)1uF0C668uF68uF0

（7）在实物测试过程中，发现1-100uf量程测试不准，显示数值严重跳动，1uf-0.01uf与100pf-0.01uf量程测试精度达到设计要求。判断1-100uf量程电路由

于存在元件精度不足，跳线干扰等因素，致使改量程未能实现设计测量任务。其

中部分测试结果如下图所示：

图1210nf被测电容实测结果图13510pf被测电容实测结果图1410nf被测电容实测结果图15100nf被测电容实测结果

图161uf被测电容实测结果图17470nf被测电容实测结果

图1810uf被测电容实测结果图1822uf

被测电容实测结果图1847uf被测电容实测结果4.1总结

该数字电容测试仪完成了设计任务的基本要求和发挥部分要求，同时增加了单位显示部分。仪表具有性能可靠、精度高、操作简单，显示直观等特点。不足之处在于当被测电容值100pf-0.01uf之间时，测量误差略大。这是因为设计要求用三个数码管显示，而该量程为0.0001uf-0.01uf或者说是100pf-10000pf，设计该量程时采用显示值乘以100的方法来表示被测电容值，这样一来虽然三个量程的显示值都在1-100之间，但100pf-0.01uf档位的误差就较大了。其次，1uf-100uf量程在被测电容大于22UF时，测量数值存在问题。原理图及PCB设计过程中有许多设计失误，所以该数字电容测试仪仍有很大改进空间。

【参考文献】[1]阎石.数字电子技术基础（第四版/第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006：174-184，278-298,489-497．[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：11—29.[3]金唯香，谢玉梅．电子测试技术[M].长沙：湖南大学出版社，2008.

附录A总仿真电路图