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简易数字式电容测试仪设计报告 1、要求能够测试电容的容量在100PF到100uF范围内； 2、至少能设计制作两个以上的测量量程； 3、用三位数码管显示测量结果。 二、设计的作用、目的 很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。固定电容的容量可直接从标称容量上读出，而可调电容的容量则不确定，因此，设计一个简易电容测试仪作为测量工具是有必要的。 三、设计的具体实现 1系统概述 利用单稳态触发器或电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成输出脉冲的宽度，即控制脉冲宽度Tx与Cx成正比。只要将此脉冲作为计数器的控制信号，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再经译码器送至数码管显示。时钟脉冲可由555构成的多谐振荡器提供。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数码管显示的数字N便是Cx的大小。该方案的原理框图如图1所示。 图1 电容测试仪原理框图 2 单元电路设计与分析 2.1计数译码显示电路 图6 显示器外引线排列图及接法 2.2时钟脉冲产生电路 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端即可构成多谐振荡器，且其电容C的电压Vc将在和之间反复振荡。其输出的脉冲作为计数器的CP。555构成的多谐振荡器电路图和工作波形分别如图7和图8所示。 图7 多谐振荡器电路图 图8 多谐振荡器工作波形 555构成的时钟脉冲发生器的最高输出频率为200KHz，电路的振荡周期仅与外接元件R1、R2和C有关，不受电源电压变化的影响。多谐振荡器的主要参数： 充电时间： 放电时间： 振荡周期： 占空系数： 本单元电路中选取的元件参数为R1=3.3K，R2=1K，C=0.068uF，则T=0.252ms，符合电路工作的要求。 单稳态电路只有一个稳定状态，在外加脉冲的作用下，单稳态电路可以从一个稳定状态翻转到一个暂态，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态。 单稳态电路在此的主要功能是根据被测电容Cx的容量大小与其成正比的控制脉冲宽度Tx来控制计数器的工作状态。单稳态电路的暂稳态时间与VCC无关，因此555组成的单稳态电路可作为较精确的定时器。图9和图10为单稳态控制电路的原理图和工作波形。 图9 单稳态电路原理图 图10 工作波形 该电路的工作原理如下： ①无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当Vi=1时，电路工作在稳定状态，即Vo=0，Vc=0。 ②Vi下降沿触发 当Vi下降沿到达时，Vo由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。 ③暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，三极管T截止，Vcc经R向C充电。时间常数τ1=RC，Vc由0V开始增大，在Vc上升到2/3Vcc之前，电路保持暂稳态不变。 ④自动返回（暂稳态结束）时间 当Vc上升至2/3Vcc时，Vo由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压Vc迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。 ⑤恢复过程 当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管T放电，经过(3～5)τ后，电容C放电完毕，恢复过程结束。 输出脉冲宽度 单稳态电路的输入触发信号为下降沿有效，需要占空比很大的负窄脉冲信号来触发。若用机械开关来触发，由于开关的延时和抖动，造成计数不准确。这里选用多谐振荡器来产生负窄脉冲信号。为了使触发信号的占空比大，周期长，可选以下参数：R1=10M，R2=510，C=0.68uF，则占空比几乎为1，重复周期为4.76s。 根据单稳态输出脉冲宽度tw和多谐振荡器振荡周期T之间的关系，可得被测电容为 （N为tw时间内时钟脉冲的个数），保持时钟脉冲频率不变，改变单稳态电路的参数，即可测量不同容量的电容。 为了保证测试的准确度，可以设置三个档位，分别如下： 档位 量程 单位 元件参数 ① 1uF--100uF ×0.1uF R=2.2K ② 0.01uF--1uF ×0.001uF R=225K ③ 100pF--0.01uF ×10pF R=23M 3电路的安装与调试 按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。 计数、译码和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，个别情况会出现只计偶数或只计奇数，是由于电源电压不稳定造成时钟脉冲的幅度过大，调节电源即可正常计数，计数部分不用大量调整。主要调试时钟脉冲发生器和单稳态控制电路。 时钟脉冲发生