简易数字式电容测试仪

摘要

本文介绍了一种简易的数字式显示电容测试仪的设计思路及硬件结构。首先研究了数字电容测试仪的基本原理，画出整机框图，接着提出系统的性能指标，计算确定电路形式和元器件参数，验证系统的可行性。由于单稳态触发器的脉冲宽度DC 与电容C 成正比，把电容C 转换成脉冲宽度为DC 的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计出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。如果时钟脉冲的各参数合适，数码显示的数字N 便是待测电容C 的值。

关键字:多谐振荡器；单稳态振荡器； 555,；计数器

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Abstract

With the development of electronic industry, electronic components have increased rapidly, and the application of digital capacitance tester is becoming wider and wider. In this paper, a simple digital display of the design idea and the hardware structure of the test instrument is introduced. Firstly studies the basic principle of digital measuring instrument for capacitance, draw the block diagram of the machine, and then put forward the performance index of the system, calculate and determine the form of a circuit and the parameters of the components, and verify the system feasibility.Because of the single steady state trigger pulse width DC and a capacitor C is proportional to, the capacitor C is converted into a pulse width rectangular DC pulse, then the gate signal control counter to count the number of pulse frequency standard, and sent to latch, decoding display system can be measured capacitance value. The clock pulse can be provided by a multi harmonic oscillator composed of 555. If the clock pulse is appropriate, the digital N is the value of the capacitance C.

Key words: multi harmonic oscillator; single steady state oscillator; 555; counter

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目录

前言 .......................................................... 1 1系统概述 ..................................................... 2 1.1总体方案的选择及可行性分析 ................................. 2 1.2方案论证 ................................................... 3 1.2.1设计思路 ................................................. 3 1.2.2设计的总体框图 ........................................... 3 2单元电路设计分析 ............................................ 4 2.1 555定时器 ................................................. 4 2.2同步计数器 ................................................. 5 2.3计数器反馈方式 ............................................. 6 2.3.1反馈清零发................................................ 6 2.3.2反馈置数法................................................ 6 2.4 四位集成寄存器 ............................................ 7 2.5单稳态触发器 ............................................... 8 3结束语 ...................................................... 10 3.1总结 ...................................................... 10 3.2收获与体会 ................................................ 10 致谢 ......................................................... 11 参考文献 ..................................................... 12

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前言

目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。

电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C 表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。

通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。

由于测量电容方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555定时器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555定时器[1]将被测参数转化为频率，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。

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1 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C 值进行转换。

能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面二种参考方案： 方案一

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：DC=RC㏑3≈1.1RC 。式中可以看出，当R 固定时，改变电容C 则输出脉宽dc 跟着改变，由dc 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，dc 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。

方案二：

先把电容C 转换成宽度为DC 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dc 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。

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1.2 方案论证

1.2.1 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DC 的矩形脉。

1.2.2设计的总体框图

该方案的总体方框图如图1-1所示：

图1-1总体方框图

Figure 1-1 overall block diagram

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2 单元电路设计分析

2.1 555定时器

555电路符号如图2-1-1所示，如图2-1-2为555等效功能框图中包含两个COMS 电压比较器C 1和C 2，一个RS 触发器，一个反相器，一个P 沟道MOS 场效应构成的放电开关SW ，三个组织相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。

u u O

I6u I2

图2-1 555等效功能框图

Figure 2-1 555 equivalent functional block diagram

2.2 同步计数器

同步十进制计数器74LS160如图2-2所示：

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E T Q 0 Q 1 Q 2 Q 3

74LS160 CO E P

LD D 0D 1D 2D 3

图2-2 74LS160管

脚图 diagram

74LS160 2-2 pin

74LS160是集成同步接计数使用。

表2-1 74LS160功能表 Table 2-1 74LS160

1 1 1 1

× 0 1 1 1

× × 1 0 ×

× × 1 × 0

× ↑ ↑ × ×

清零 置数 计数 保持 保持

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

EP ET CP 功能

2.3计数器反馈方式

将74LS160构成十进制以下计数器可采用两种反馈方式。一种是反馈清零法，另一种是反馈置数法。以下是两种反馈方式的特点。

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2.3.1 反馈清零法

反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零（清零）。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使数电路同步或异步地复位。

2.3.2 反馈置数法

反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在滿足条件时，计数电路输出状态为给定的二进制码。

2.4 四位集成寄存器

图2-3所示是由D 触发器组成的4位集成寄存器74LS175的逻辑电路图。其中，Rd 是异步清零控制端。D1—D4是并行数据输入端，CP 为时钟脉冲端，Q1—Q4是并行数据输出端。

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CP

D

图2-3 ４位集成寄存器74LS175

Figure 2-3 4 bit integrated register 74LS175

该电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端，D0—D3，在CP 端送一个时钟脉冲，脉冲上升作用后，四位数码并行的出现在四个触发器Ｑ端。

表2-2 74LS175功能表 Table 74LS175 2-2

R D 1D 2D 3D 4DQ 1 Q2 Q3 Q401

111

X X X X1D 2D 3D 4DX X X XX X X XX X X X

0 0 0 0

CP X 10

2.5单稳态触发器

保持

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图2-5-1 74121的逻辑图及管脚图

Figure 2-5-1 74121 logic diagram and pin diagram

如图2-5-1为TTL 集成器件单稳态触发器74121的逻辑图及管脚图。74121由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器、输出缓冲电路三部分组成。其电路工作原理与单稳态触发器基本相同。电路只有一个稳态Q =0,Q =1。当图中a 点有正脉冲触发时，电路进入稳态Q =1,Q =0。Q 为低电平后使触发信号控制电路中RS 触发器的G 2门输出为低电平，将G 4门封锁，这样即使有触发信号输入，在a 点也不会产生微分型单稳态触发器的触发信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。

①. 触发方式。74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知在下述情况下，电路可由稳态翻转暂稳态。其功能表如下表所示。

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表2-3 74121功能表

Table 2-3 74121

若B 为高电平，A 1、A 2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的跳变。

若A 1、A 2输入中有一个或两个为低电平，B 发生由0到1的正跳变。

②定时。单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C 的正极连接在C t 输出端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择：

采用内部定时电阻（2 k），此时将9号引脚（R ）接至电源V CC （14脚）。 采用外接定时电阻（阻值在1.4～40k Ω之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74121的输出脉冲宽度t ≈0.7RC 。

通常R 的数值取在2～30k Ω之间，C 的数值取在10pF ～10μF 之间，得到的取值范围可达到20ns ～200ms 。

该式中的R 可以是外接电阻R ，也可以是芯片内部电阻R (约2k Ω) ，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。

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3 结束语

3.1 总结

本设计完成题目所给的设计任务，设计了一台数字显示的电容测试仪，满足题目的基本要求和一部分发挥要求。仪表有性能可靠、精度高、电路简单的特点。但是这种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也有不足之处，主要是由于电路的影响，输出的电容在某一个周期里误差会很大。也可以通过加入延时清零电路，设置更多的档位来减小误差，使其精度更高。总体来说，本设计是成功的。

3.2 收获与体会

回顾起此次课程设计，至今我感慨颇多。的确，从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，不仅巩固学过的电子技术专业知识，而且学到了仿真软件的基本操作。

通过这次课程设计，我懂得了理论与实践相结合的重要的，仅有理论的知识是远远不够的，只有把所学到的专业知识与实践结合起来，从实践中得出结论，才能真正的理解掌握理论知识，提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计的过程中难免会遇到各种各样的问题，但是我们迎难而上，通过查资料和请教老师努力研究、解决问题；同时在分析测容原理与设计的过程中发现自己的不足之处，如对以前学过的专业知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，我们通过认真学习和掌握专业知识可以更好的完成课程设计。

对这次设计的电路，我最满意的是量程控制所达到的高精度效果。为提高精度，本仪表只显示100—9999之间的数，当然具体的电容值要看量程档位。如果要更加完善设计，还是有很大的发展余地的，比如说可以加入延时清零电路，可以设置更多的档位等等。

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致 谢

在本论文完成之际，首先要向我的指导老师陈国明以诚挚的谢意。在论文的写作过程中，陈老师给了我许多的帮助和关怀。陈国明老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在陈老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多；同时他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅。在此我谨向陈国明老师表示衷心的感谢和深深的敬意。

同时，我要感谢我们系给我们提供实验设备的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。并因此让我学会了好的学习方法。

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参 考 文 献

［1］徐志军．CPLD/FPGA的开发与应用［M ］．北京：高等教育出版社，1979. ［2］潘松，黄继业．EDA 技术与VHDL ［M ］．北京：清华大学出版社，2005． [3] 蒋立平. 数字逻辑电路与系统设计[M].北京：电子工业出版社，2009. [4] 刘修文主编，新编电子控制电路300例，北京. 机械工业出版社，2006.

[5] 陈有卿，叶桂娟.555时基电路原理设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2007. [6] 林涛、楚岩、田莉娟、林薇、编著《数字电子技术基础》. 清华大学出版社.2006. [7] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 第2版，北京：高等教育出版社， 1986. 24~27.

[8] 杨兴琼，张益清，杨震绪. 新编实用电子电路500例[M].北京：化学工业出版社，2006.10~12. [9] 宋学君主编，《数字电子技术》. 科学出版社. 2007. 7.

[10] 卿太全、李萧、郭明琼编著，《常用数字集成电路原理与应用》. 人民邮电出版社2006.

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