电容表的设计与制作课程设计.doc

法拉电容表的设计与制作 课程设计 1 设计目的 1培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 2学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 3进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 4 培养学生的创新能力。 2 设计要求 1．电源电压：±5V ； 2．档位：100F、10F、1F、0.1F（其中1F档位为基本量程要求，其余为扩展要求）； 3．主要单元电路和元器件的参数计算、选择； 4．画出总体电路图； 5．安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象； 6．调试电路； 7．电路性能指标的测试； 8．提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。 3 总体设计 3.1 方案的选择与设计 方案一：采用简单的RC回路对电容，电路简单；不过通过给定的电压及需要测定的电容范围计算，电压充到0.632E时所需时间τ=RC，应为被测电容是法拉级别的，所以充电时间很长！作为大电容测试仪不好！ 方案二：采用大电流的直流源对被测电容进行充电，电流源产生的电流选用安培级别的。由UC=It（U为被测电容两端的电压，C为被测电容，I为直流源的电流，t为直流源充电的时间）知道，充电的时间很短就可以达到预定的电压值，从而可以很快测得大电容的数值。 基于上述分析我选择了方案二。 3.2电路总框图 比较器被测电容电流源 比较器 被测电容 电流源 计时器转换／ 计时器 转换／驱动 数码显示 电流源产生安倍级别的大电流，给大电容充电，用3DD15D大功率三极管来做；比较器用来检测电容充电是否达到了预定值，达到预定值输出低电平，控制计时器停止计时；计时器用来记录充电时间；转换／驱动电路将计时器送来BCD码所表示的十进制进行译码，并驱动数码管显示对应的十进制数；数码显示用来显示电容大小。 3.3 总体电路原理 总体原理图见附一 将被测电容刚接在两检测端，此时电压比较器输出高电平，控制555定时器构成的脉冲发生器的4脚，产生脉冲来驱动74LS90构成的十进制计数器进行计数，通过CC4511译码器来译码驱动SM4205七段数码管显示充电时间（通过参数的选择，实际中显示的则是电容容量的大小）。 充电达到电压比较同相输入端的参考电压2.55V时，电压比较器将输出低电平控制脉冲发生器停止工作，从而计时器停止计时并计时的数据保持住，从而在数码管的位置显示给电容充电到额定电压值的时间，即被测电容的大小！ 由UC=It知，改变电流源的大小I，即可将量程扩展到100F、10F、0.1F。电流源的电流大小可通过UA741同相输入端的电压大小来改变。 4单元电路设计 4.1直流源设计 直流源电路由电压分配器，集成运放UA741，大功率三极管3DD15D和Rs为1.1Ω的电阻组成，见图1。 直流源电路采用集成运放UA741构成的电流串联负反馈电路，由电流串联负反馈的性质可知通过被测电容两端的电流I是恒定的，电流大小I=Ua/Rs。应为是要给大电容充电，所以产生的恒定电流一定要大；但是一般的电流串联负反馈电路产生的电路不大，不能满足设计的要求，所以采用大功率三极管3DD15D进行电流放大，从而将电流放大到设计的要求（安培级别）。 当选择不同的档位时，A点电压不同，由I=Ua/Rs可知，给被测电容充电的电流会相应的发生改变，对应数码管处的量程就对应改变！ 对基本量程1F，R3=8.091K，R0=1K，Ua=0.55V则I=0.55/1.1=0.5A，即此时1F量程，电流源产生0.5A的大电流。设电容两端的电压为Uc,三极管发射极的电位为Ue，UcC=It(其中C为被测电容的大小，t为充电的时间)，当Uc和I一定，被测电容的大小就和充电时间成正比。正是基于这一原理，将测电容容量转化为测给电容充到同一电压值时所需的时间。Ue=0.55V+Uc,所以控制Ue电位升到预定值时，后面电路停止计时。经过计算Ue取2.55V，即测被测电容被充2V时所需时间，对应即为电容大小。 图1 直流源电路 4．2 电压比较器的设计 电压比较器由集成运放UA741和参考电压电路构成，见图2。 由UA741构成反相输入单门限电压比较器，当反相输入端输入电压Ue大于2.55V时，UA741的6脚输出低电平；小于2.55V输出高电平。 电路结构简单，灵敏度高，当电压大于或小于2.55V时，能很快输出低电平或高电平，延迟不大于40μS。 图3 电压