毕业设计论文：数字式电容测量仪设计

摘要

本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容x C。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容x C值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压o v与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将o v输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入到LED数码管中显示出来

关键词：电容，555定时器，滤波器，线性，译码器，LED数码管

目录

一、测量系统的方案设计 (3)

1.1、测量部分的系统方案设计 (3)

1.1.1、恒亚充电法测量 (3)

1.1.2、恒流充电法测量 (3)

1.1.3、脉冲计数法测量 (3)

1.2、测量信号数字化系统方案选择 (3)

1.2.1、利用单片机进行编程翻译 (4)

1.2.2、利用译码器进行翻译 (4)

二、单元电路的设计及原理 (4)

2.1、 电容值测量电路及原理 (4)

2.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理 (6)

2.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理 (7)

2.1.3、滤波器工作电路图及原理 (8)

2.2、模拟信号的处理以及数字化显示 (9)

三、系统参数设定 (10)

四、结论及词 (11)

4.1、结论 (11)

4.2、词............................................................11 参考文献..................................................................12附表：元器件明细表 (13)

一 系统方案设计

1.1 测量部分的系统方案设计

1.1.1:恒压充电法测量。

用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：t u

i d C d ?=。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。

1.1.2：恒流充电法测量。

用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用AD 或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是： q C u =.q i t =?.所以i t U c

?=。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。

1.1.3：用脉冲计数法测量电容。

由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f ≈121.43(2)R R C

+，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容x C 构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号1o v 作为单稳态触发器的触发信号。根据电容x C 的大小来调节占空比 1.1w x T RC ≈。LM741与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号2o v 滤波成为稳定的输出电压o v 。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的围（只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。

综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法

1.2 测量信号数字化系统方案选择

1.2.1：利用单片机进行编程翻译。

将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED 数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计成本将大大提高很不经济，且测量环境要

求较高。

1.2.2：利用译码器进行翻译。

将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。

这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。

二单元电路的设计及原理

此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1 电容值测量电路及原理

2.1.1 多谐振荡器电路图及工作原理

555定时器构成一个多谐振荡器，其电路图如图2-1-1所示：

图2-1-1 555定时器构成多谐振荡器

其电路工作原理是：接通电源后，电容C 被充电，当c v 上升到23

CC V 时，使o v 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C 通过2R 和T 放电，c v 下降。当c

v 下降到

3

CC V 时，o v 翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:22ln 20.7pL t R C R C =≈ 当放电结束时，T 截止，CC V 将通过1R 、2R 向电容器C 充电，c v 由3

CC V 上升到23

CC V 所需的时间为：1212()ln 20.7()pH t R R C R R C =+≈+ 当上升到23CC V 时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：121 1.43(2)pL pH f t t R R C

=

≈++ 2.1.2 单稳态触发器电路图及工作原理

555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2（a ）所示。其简化电路如图2-1-2（b ）所示：

图2-1-2（a）555定时器构成第三稳态触发器电路

图2-1-2（b）555定时器构成单稳态触发器的简化电路

其工作原理是：没有触发信号时1v 处于高电平（1v ＞

3

CC V ），如果接通电源后Q=0 o v =0，T 导通，电容通过放电三极管放电，使c v =0，o v 保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管T 就会截止，电源通过电阻R 向电容x C 充电，当c v 上升到23

CC V 时，由于R=0,S=1锁存器置0，o v 为低电平。此时放电三极管T 导通，电容x C 放电，o v 保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态o v =0。

若触发输入端施加触发信号（1v ＜3

CC V ），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T 截止。此后电容x C 充电，当x C 充电至c v =23

CC V 时，电路的输出端电压o v 由高电平翻转为低电平，同时T 导通，于是电容x C 放电，电路返回到稳定状态。

如果忽略T 的饱和压降，则c v 从零电平上升到

23

CC V 的时间，即为输出电压o v 的脉宽w t

ln 3 1.1w x x t RC RC =≈ 通常R 的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可以保证测量的围能够达到100pF~100uF 。

2.1.3 率波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容

有源滤波器。其电路结构如图2-1-3所示。

图2-1-3 LM741组成的阻容滤波器

其工作原理是LM741可以对占空比为w t 的信号o v 进行平滑滤波，使最后产生出来的信号（即是图2-1-3中的 ）与被测量的x C 呈线性关系。

2.1.4 滤波器工作电路图及原理

测试部分所用的总的电路图如图2-1-4所示。图中的x C 即是被测量的电容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为15~18伏特之间。

图2-1-4 测量电路总图

2.2 模拟信号的处理以及数字化显示

在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的 BCD 码送入LED 数码管中，显示出来。其电路结构如图2-2-1

图2.2给出BCD —七段显示译码器7448的逻辑图。如果不考虑逻辑图中由G 1~G 4组成的附加控制电路的影响（即G 3和G 4的输出为高电平），则Y a ~Y g 与A 3、

A 2、A 1、A 0之间的逻辑关系为：?????????????+=++=+=++=+=++=++=0

121230112023012012012012012230120121302130123A A A A A A Y A A A A A A A Y A A A Y A A A A A A A A A Y A A A A A Y A A A A A A A A Y A A A A A A A A Y g f e

d c b a

0123

图2-2-1 BCD—七段显示译码器7448的逻辑图

根据BCD—七段显示译码器的逻辑关系式和逻辑图可列出真值表如表2—2 LED数码管的构造和显示原理：

LED数码管分为共阳极与共阴极两种，如图2—2—2（a）所示，部结构如图2—2—2（b）（c）所示。a~g代表7个笔段的驱动端，亦称笔段电极。DP是小数点。第3脚与第8脚部连通，+代表公共阳极，-表示公共阴极。对于共阳极LED数码管（如图2—2—2（a）,（b）所示），将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接供电平时可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，-端接低电平时才能发光。

LED数码管的特点：

1.能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。

2.发光相应时间极短（＜0.1us），高频特性好，单色性好，亮度高。

3. 体积小，重量轻，抗冲击性好。

4. 寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。

5. 成本低。

三 系统参数设定

系统的参数决定了系统测量的围在触发器中，本设计在单稳态触发器中的电阻值取为47K Ω, 由公式：

ln 3 1.1w x x t RC RC =≈

计算可得。被测电阻在100pF~100uF 产生的脉宽为0.000047s~0.47s 。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz 。即f ＜2Hz

取多谐振荡器中的电阻值1R =2R =150K Ω。再由公式：

121 1.43(2)pL pH f t t R R C

=≈++ 计算可得多谐振荡器中电容可以取为1.5uF 。

在数字显示电路中，因为是使用了7448译码器译码，则相应的LED 数码管选为共阴极数码管。

其他元器件的取值以及相应的规格详见附录

四设计结论以及词

4.1 设计结论

本设计主要应用于100pF~100uF电容器的测量。设计中应用了单稳态触发器，多谐振荡器，滤波器，译码器，LED数码管显示器等等。测量比较精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容器测量。

4.2 词

此次毕业设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极查阅资料，并且一遍又一遍的重复实践，直到我期望的结果实现。事实也证明我的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我带来了成功的喜悦！

通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解

决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次设计的成功

不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力！

通过这次的电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可

以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练

了我个人的动手能力：能够充分利用书籍和网络资源查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对protel 99、和EWB等仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要。

在这过程中，，当我遇到些不能解决的问题时，我及时查阅资料以及向同学请教，使我们少走弯路，顺利完成毕业设计。另外对此次设计帮助过我的老师及同学，我对你们表示感，你们！

参考文献

１康华光．电子技术基础（第五版）．：高等教育，2006年

2 军．无线电元器件精汇．：人民邮电

3 王松武，于鑫，武思军．电子创新设计与实践．:国防工业．2005年

4 黄智伟．全国大学生电子设计竞赛电路设计．:航空航天大学，2006年

5 及力，Protel 99 SE 原理图与PCB设计教程. ：电子工业，2003

附表元器件明细表