表头式电容测试实验报告
摘要
很多电子产品中，电容器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。
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。电容器，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。两片金属称为极板，中间的物质称为介质。电容器也分为容量固定的和容量可变的。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。
不同的电容器储存电荷的能力是不相同的。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉（F）。但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（uF），纳法（nF），皮法（pF）（皮法又称微微法）等，它们的关系是1法拉（F）=1000000微法（uF）1微法（uF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）.
电容器在电子电路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性有重要的影响，本课题就是设计直读式电容测试仪。
由于单稳态触发器的输出脉冲与电容C成正比，把电容C转化为宽度为tW 的矩形脉冲，经过滤波，经过直流放大器，使表头的刻度值满偏，经过计算从而可以得到电容量的数据，同时可以通过手动实现对档位的改变而测量出不同档位的电容值。
由于单稳态触发器输出的宽度与被测电容Cx的容量大小成比例，即td=1.1RCx，所以先由555构成的多谐振荡器得到方波，方波经过电容滤波后得到尖波，尖波作为单稳态触发器的输入波形，它的输出波使得电流表偏转，用表头指针的偏转大小表示Cx容量大小。
目录
一课程设计目的 (3)
二电子课程设计任务书 (3)
三总体设计方案 (6)
四单元电路设计及其原理说明参数计算 (6)
4.1 555定时器简介 (6)
4.2555定时器构成多谐振荡器 (8)
4.3 555定时器构成单稳态触发器 (10)
五总体电路 (12)
5.1 电路原理图 (12)
5.2 电路工作原理 (13)
5.3 所需各元器件 (13)
六调试波形 (14)
七实验总结 (15)
八参考文献 (16)
一课程设计目的
本课程是自动化专业的必不可少的实践教学环节。通过本课程的学习，使学生加深对电子技术基础理论的理解，学会查寻资料﹑方案比较、设计计算等环节，进一步提高分析、解决实际问题的能力，同时有利于提高学生的自学能力和运用基础理论去解决工程实际问题的能力，真正实现由知识向实践的转化，为今后设计电子技术应用系统打下坚实的基础。
本实验目的：
1掌握表头式电容测试仪的设计，组装与调试方法。
2熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。
二电子技术课程设计任务书
1、设计任务
设计和实现一个表头式电容测试仪，同时可以通过手动实现对档位的改变而测量出不同档位的电容值。
2、设计内容
电容测试仪包括脉冲产生器、单稳态触发器、直流放大和表头指示电路。本测试仪可测量小至几皮法，大至１０微法的电容。
1.量程可分为六档：1~200pF,200pF~2nF,2nF~20nF,20nF~200nF,200nF~2uF；
2.通过调节可变电阻时，产生周期为3ms的尖脉冲；
3.输出脉冲必须经平滑滤波器滤波，使电容上的电压与脉宽成比例；
4.由IC1（555）与若干电阻和待测电容Cx组成单稳态触发电路；
5.必须使用稳压二极管对输出脉冲箝位，指示表满偏时要有限流作用。
3、设计要求
（一）课程设计的基本要求
1．设计任务应在规定时间内完成；
2．说明书书写工整；
3．电路原理图图面清晰，内容准确；
4．元器件参数计算项目完整，计算说明清楚，计算结果基本正确。（二）课程设计说明书的格式
1．封面
2．目录
3．正文
（1）课程设计任务书；
（2）总体设计方案（画出一个实现电路功能的大致框图）；
（3）单元电路（各组成部分电路）设计及其原理说明；
（4）元器件的选择及其相关技术数据、参数的计算；
（5）总体电路原理图、所需各元器件清单以及整个电路的工作原理。4．课程设计中的收获和体会
5．参考文献
4、课程设计进度安排
周次工作日工作内容
第一周1 布置课程设计任务，查找相关资料
2 查阅555芯片的资料并了解表头式电容测试仪的原理
3 完成总体设计方案
4 绘制原理图
5 搭建电路图
第二周1 调试电路
2 调试电路
3 准备课程设计报告
4 完成课程设计报告并于下午两点之前上交
5 答辩
本课题共需两周时间
5、评分依据
1．平时的出勤情况；
2．设计过程中的动手能力；
3．课程设计说明书的总体质量（包括课程设计思路是否合理、单元电路正确与否、整体电路是否完整、电路原理说明是否基本正确等）；
4．本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
三总体设计方案
电路大体由555定时器构成，第一个555定时器构成多谐振荡器，用于产生一定周期的方波，方波经过电容，形成等周期的尖波，第二个555定时器构成单稳态触发器，将尖波作为其输入波形，端口六七串联接待测电容，输出的一定周期的方波经端口三输出，经过电流表，用表头指针的偏转大小表示待测电容的容量大小。
四单元电路设计及其原理说明参数计算
4.1 555定时器
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS 工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V 工作，7555 可在3~18V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。
555定时器
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS 触发器，一个放电管T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和2VCC /3
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器C1 的同相输入端的电压为2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端TR 的电压小于VCC /3，则比较器C2 的输出为0，可使RS 触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH 的电压大于2VCC/3，同时TR 端的电压大于VCC /3，则C1 的输出为0，C2 的输出为1，可将RS 触发器置0，使输出为0 电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。
3脚：输出端V o
2脚：低触发端
6脚：TH高触发端
4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表6—1示。
表6—1 555定时器的功能表
清零端高触发端TH 低触发
端
Q 放电管T 功能
××
0 导通直接清零
1 0 1 0 导通置0
1 1 0 1 截止置1
1 0
1
1
1
保持上一状态
截止
保持上一状态
置1
保持上一状态
4.2 555定时器构成多谐振荡器
多谐振荡器的工作原理
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称作多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。
由555定时器构成的多谐振荡器如图1（a）所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并联后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于
(1/3)Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT 截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压Uc按指数规律上升，当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低电平，放电管VT导通，把Uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间Tph的长短与电容的充电时间
有关。充电时间常数T充=0.7（R
1＋R
2
）C。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二个暂稳态，其维持时间Tpl的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝0.7R2C随着C的放电，Uc下降，当Uc下降到（1/3）Vcc时，输出Uo为高电平，放电管VT截止，Vcc 再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。
图1 555定时器构成多谐振荡器
根据Uc的波形图可以确定振荡周期为 T=Tpl+Tph
Tph对应充电时间 Tph=0.7（R1+R2）C
Tpl对应放电时间 Tpl=0.7R2C
振荡周期 T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2）C 振荡频率 f=1/T
输出方波的占空比为
555定时器用于实际中的实例有：
能发出“叮、咚”声门铃的电路和旋光彩灯控制电路.....
4.3 555定时器构成单稳态触发器
单稳态触发器的工作原理
单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。
由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图2所示。图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号Ui接在低电平触发端（2脚）
稳态时，输出Uo为低电平，即无触发器信号（Ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。在 Ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出Uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。
在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间T＝1.1RC，Uc按指数规律上升。当电容两端电压Uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出Uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。电路恢复到稳态Uo为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来，又重复上述过程。工作波形如图2（b）所示。
输出电压Uo的脉宽tw=1.1RC。由于R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值在几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟，精度可达
0.1%。由图2（b）可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入心的触发脉冲（如图2（b）中的虚线所示），则脉冲对电路不起作用，电路为不可重复触发单稳触发器。
（a）单稳态触发器工作电路（b）工作波形
图2 555构成单稳态触发器
由555定时器构成的可重复触发单稳电路如图3所示
当Ui输入负向脉冲后，电路进入暂稳态，同时三极管T导通，电容C放电。输入负脉冲撤除后，电容C充电，在Uc未充到（2/3）Vcc之前，电路处于暂稳态。如果在此期间，又加入新的触发脉冲，三极管T又导通，电容C再次放电，输出仍然维持在暂稳态。只有在触发脉冲撤除后且在输出脉宽tw时间内没有新的触发脉冲，电路才返回到稳定状态。该电路可用作失落脉冲检验，或对电机转速或人体的心律进行监视，如果转速不稳定或人体的心律不齐时，Uo的低电平可用作报警信号。
图3 由555定时器构成的可重复触发的单稳电路
五：总体电路
5.1 电路原理图
图4 表头式电容测试仪电路
5.2电路工作原理
如图4所示，IC1（555）和R1，R2，C1组成无稳态多谐振荡器，振荡频率为
f=1.44/（R1+2R2）C1
图示参数的振荡频率约为2kHz。用IC1输出的固定周期的方波去触发IC2.由于R3平时为高电平，IC2常处于复位状态，一旦低电平的微分脉冲到来，IC2置位。IC2单稳态输出的宽度与被测电容Cx的容量大小成比例，即td=1.1（R6~R10）Cx，Cx越大，则td 越宽，输出的平均电流值越大；反之，则小。用笔头指针的偏转大小表示Cx容量的大小。RP1用以调节满偏；RP2用以调零，因为即使Cx=0，由于寄生电容的存在，输出仍有一定值得脉宽。
量程有五档：
R6=10MΩ，Cx=1~200pF
R7=1 MΩ，Cx=200pF~2nF
R8=100KΩ，Cx=2nF~20nF
R9=10 KΩ，Cx=20nF~200nF
R10=1 KΩ，Cx=200nF~2uF
5.3所需各元器件
555定时器两个
不同阻值的电阻若干（ 1KΩ，2.2 KΩ，5 KΩ，10 KΩ，100 KΩ，1 MΩ，10 MΩ，470Ω）
一个10 KΩ滑动变阻器一个100Ω滑动变阻器
一个电流表
不同容量的电容若干，电源，导线。
六调试波形
七实验总结
刚刚完成的表头式电容器测试实验让我感慨颇深，受益匪浅，这中间有喜悦，有困惑，有无助，但是最终结果还是让我们高兴的。因为我们成功的完成了这次实训，正如加永说的，这离不开大家的互相帮助，我们是一个一起研究探讨的团体，大家有什么不懂的相互讲解相互帮助，同时也少不了我们自己的努力，查了不少资料，看了不少相关的知识，其中我们的专业课电子技术基础很重要，因为是基础类的知识，所以让我们更容易理解，应用的更加灵活些，理解也容易了许多，但光靠这些还远远不够，课外的书籍也少不了要看不少，《多功能集成电路例555经典应用实例》、《555集成电路应用800》等，感觉从中学到了不少想相关的知识，让我对电子技术方面兴趣更浓。
总体来说这次的实验非常成功，各项数据都十分到位，这次的实验总共分为查资料、电路设计、电路调试、总结答辩四个部分，我们查看了许多资料，在电路设计中我们遇到了不少困难，但是通过大家的互相帮助讲解都成功解决了，千难万难但总算也把电路设计好连接好了，在电路调试的时候还是遇上了不少麻烦，其中不乏一些自己粗心大意留下的，让我充分认识到自己的细心也是生产中的很重要的一部分，同时也认识到了在书本上学到的知识只是在实践中不可或缺的一部分，但远远不是全部，经验是很重要的一环，每个成功的技师都必须有着丰富的经验，不然只是纸上谈兵而已。
总体说来这次的实验很成功，对我的影响也很大，让我充分发挥了大脑的思维与实践结合的长处，了解了科学的奥妙与强大，让我对它充满了向往，以后的社会是一个科技独存的社会，相信这将会成为我以后人生的一桶金，帮助我在漫长的人生旅途中走的更远，飞的更高。
八参考文献
1《电子技术基础》数字部分（第五版）主编康华光2《多功能集成电路555经典应用实例》
3《新型集成电路应用300例》作者何希才
4《新编555集成电路应用800例》作者陈泳甫