《数字电容测量仪》.doc

电子设计竞赛(论文) 参赛题目： 数字电容测量仪（I题） 参赛队员： 指导教师： 20 年3月24日 摘 要 数字电容测量仪是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器1系统设计 4 1.1 设计要求 4 1.2 总体设计方案 4 1.2.1设计思路 4 1.2.2 系统方案论证与选择 4 1.1.3总体框图 5 2单元电路的设计 6 2.1 直流稳压电源设计 6 2.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路 6 2.1.2直流稳压电源的原理框图分析 6 2.1.3直流稳压电源特点 6 2.2 产生波形设计方案 7 2.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器 7 2.2.2由555定时器搭建单稳态触发器 8 2.3 计数加锁存电路 10 2.4 显示部分设计方案 10 3总体电路图及仿真结果 12 3.1 该方案的总体电路图如下： 12 3.2 仿真结果如下图 13 4 结束语 14 附录 15 附录Ⅰ 器件清单 15 附录Ⅱ 参考文献 15 附录Ⅲ 实物连线图 16 1系统设计 设计要求 本次设计任务基本要求设计制作一个数字电容测量仪，能够测试的电容量在100nF至100uF范围内，并且至少设计两个以上的测量量程，用三位数码管显示，自由发挥部分为电容量在10nF至1000μF范围内，量程分为5档显示，还要求有单位显示，可以通过开关转换实现频率计的功能。 总体设计方案 1.2.1设计思路 题目要求设计一个数字电容测量仪。设计中采用两个555定时器分别构建单稳态和多谐触发器用于产生计数脉波和控制计数脉波，其中待测电容在单稳态电路中，在单稳电路中用单刀双掷开关连接不同阻值电阻来达到更大范围的测量，当单稳态产生的波形为高电平时计多谐产生的脉波个数即为电容数值。计数部分74290构建的三个十进制计数器，采用7448驱动BS201半导体数码管显示，增加的单位显示部分是该方案更加完善。 1.2.2 系统方案论证与选择 方案一 容抗法测量电容电路其设计思想是首先利用一定频率（例为400Hz）的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C / VCA转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC / DC转换期取出平均值电压V0，送至31/2位或41/2位A/D转换器。由于平均值电压V0Cx，只要适当调节电路参数，即可直读电容量。优缺点：容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。但精度不高，分立元件太多其设计思想是利用对被测电容进行冲放电，最后送出正确的显示信号给显示电路。其原理流程方框图如下：构成一个多谐振荡器。在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。 图 1 系统组成框图 2单元电路的设计 2.1 直流稳压电源设计 2.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路 （1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。 （2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。 （3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。 （4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。 2.1.2直流稳压电源的原理框图分析 图2 直流稳压电源框图 采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。 滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。 稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。 过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。 2.1.3直流稳压电源特点 采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。 从电路中我们可看出，此电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与e点的电位进行比较（由于D的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压