简易电容值测量仪设计 2012.12.
目 录
第一部分 系统设计
1.1 设计题目及要求 ………………………………………………………… 1 1.2 总体设计方案 ………………………………………………………… 2 1.2.1 设计思路 ……………………………………… 3 1.2.2 方案论证与比较……………………… 5
第二部分 单元电路设计 2.1 标准脉冲信号电路 ………………………………………………… 6
2.1.1标准脉冲信号电路工作原理
2.1.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
2.2 多谐振荡器电路 ………………………………………………………………7 2.2.1标准脉冲信号电路工作原理
2.2.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
2.3 锁定电路 ……………………………………………………………………7 2.3.1锁定电路工作原理
2.3.2锁定电路元件的选取与计算
2.4 计数、锁存、译码和数码管显示电路 …………………………………… 7
2.4.1计数、锁存、译码和数码管显示电路工作原理
2.4.2计数、锁存、译码和数码管显示电路元件的选取与计算 2.5 指示灯显示电路 …………………………………………… 7 2.5.1指示灯显示电路工作原理
2.5.2指示灯显示电路元件的选取与计算 第三部分 整机电路
3.1 整机电路图 …………………………………………………… 7 第四部分 性能指标的测试
3.2 元件清单 ………………………………………………………………… 8
4 电路实现的功能和系统使用说明………………………………………… 13
1.1 设计题目及要求
设计一个可测量电容值的电路。要求： 1. 电容测量范围为1000PF-2UF 。 2. 能实现电容的测试与显示。 3. 电源采用5V 或±5V 供电。
1.2总体设计方案 1.2.1设计思路
题目的关键步骤就是如何把电容值转变成为数字量，即利用受电容影响的电路把电容值转变为可测量，可处理的物理量和数字量，然后显示。 1.2.2方案论证与比较
从设计思路出发，可以提出以下两个方案：
方案1：把锯齿波信号输入到以被测电容为微分电容的微分电路，得出电容C x 和输出电压U x 之间的线性关系，经过整流滤波后，利用A/D转换把电压量以数字量形式表现出来，最后用显示电路显示。，如图1-2-1所示
图1-2-1
方案2：利用多谐振荡器接成单稳态触发器产生由外接电容决定其脉冲宽度的方波信号，用被测电容作为这个外界电容，即可得出被测电容C x 和脉冲宽度t w 之间的关系，将t w 用计数器转为数字量，通过译码后用显示电路显示出来，如图1-2-2所示
方案论证：
经过方案的初步比较，方案1采用A/D转换由模块精度确定，加之模拟模拟信号的不稳定性，可能会造成较大误差，而且A/D转换模块价格相对较高；方案2电路以及思路简单，实现精度可控，所以采用方案2。
2.1 标准脉冲信号电路
2.1.1标准脉冲信号电路工作原理
利用555产生一定占空比的脉冲信号，用作计数脉冲
2.1.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
考虑测量范围和电阻的大小，用1khz 频率计算合适。 计算过程：
f=1khz----- T=(R1+2R2)C 2ln2=1ms 取C=1uF,则R 1+2R2=1443Ω 取R 1=470Ω，R 2=487Ω C 1为滤波电阻，取0.01uF
2.2 多谐振荡器电路
2.2.1标准脉冲信号电路工作原理
用555组成多谐振荡器电路，电阻R 5，R 4，R 3控制输出t w 的大小。
在有溢出信号到来的时候，R 5和R 3 的左半部分被短路，接入电阻只有R 4和R 3右半部分，从而达到自动换挡的功能。
2.2.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
考虑测量范围为1000pF~2uF，把电容分成两档，10和10档。 计算过程： 如图的电路
在10-9档：t w1=1.1（R 5+R4+R3）C X =1ms 在10-8档：t w2=1.1R4C X =1ms 求得 R5+R3=818K， R4=91K
考虑到器件的输出电位的不稳定，所以R 3为可调电阻，取10K 2.3 锁定电路 2.3.1锁定电路工作原理
-9
-8
通过一个D 触发器作锁存器
当按下RST 按钮，Q ’=1，v1出现高电平时，触发信号为下降沿，多谐振荡器工作，产生一个时间为t w 的高电平。
v2为上升沿是，Q ’置0，触发信号保持在高电平，多谢振荡器不工作。 电路从放开RST 开始，只产生一个时间为t w 的高电平。
清零信号是计数器有溢出时产生，用以换挡后重新产生测量信号。
2.3.2锁定电路元件的选取
锁存器用74LS74，R 为上拉电阻，取10k Ω 2.4 计数、锁存、译码和数码管显示电路
2.4.1计数、锁存和数码管显示电路工作原理
用CD40110作计数、锁存和译码电路CLK 信号由标准脉冲信号输出和多谢振荡电路输出经过与门产生。最高位产生进位后，会产生一个清零信号，用来清零锁定电路的状态。
2.4.2计数、锁存和数码管显示电路元件的选取
计数、译码和锁存采用CD40110，显示用数码管。
2.5 指示灯显示电路
2.5.1指示灯显示电路工作原理
若计数器最高位不产生进位，Q 1为0，D 2亮，表示10-9档
若计数器最高位第一次产生进位，即有清零信号的时候，触发第一个D 触发器的CLK ，从而置Q 1为1，D 1亮，表示10档，由于D 触发器会产生延时，所以第二个触发器的CLK 不会为上升沿，Q 2为0，D 2不亮。
若计数器最高位第二次产生进位，即超出量程。在产生溢出的时候，第二个触发器的CLK 有上升沿产生，Q 2置1，D 1,D 2同时亮。
开关为清零开关，在再次测量的时候，先清零这两个锁存器，再清零锁定电路的锁存器。
-8
2.5.2指示灯显示电路元件的选取
R 为下拉电阻，取100Ω 触发器用74LS74
发光二极管用普通的发光二极管
3.1 整机电路图
3.2 元件清单
4 电路实现的功能和系统使用说明
电路实现测量范围为1000Pf~2uF的电容值（理论上可完成对1000Pf~9.99uF的测量），测量前先对溢出锁存器清零，然后对锁定电路清零。数码管显示数值，发光二极管指示档位，D 1为10-8档，D 2为10-9档，两灯一起亮为超量程。
简易电容值测量仪设计 2012.12.
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第一部分 系统设计
1.1 设计题目及要求 ………………………………………………………… 1 1.2 总体设计方案 ………………………………………………………… 2 1.2.1 设计思路 ……………………………………… 3 1.2.2 方案论证与比较……………………… 5
第二部分 单元电路设计 2.1 标准脉冲信号电路 ………………………………………………… 6
2.1.1标准脉冲信号电路工作原理
2.1.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
2.2 多谐振荡器电路 ………………………………………………………………7 2.2.1标准脉冲信号电路工作原理
2.2.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
2.3 锁定电路 ……………………………………………………………………7 2.3.1锁定电路工作原理
2.3.2锁定电路元件的选取与计算
2.4 计数、锁存、译码和数码管显示电路 …………………………………… 7
2.4.1计数、锁存、译码和数码管显示电路工作原理
2.4.2计数、锁存、译码和数码管显示电路元件的选取与计算 2.5 指示灯显示电路 …………………………………………… 7 2.5.1指示灯显示电路工作原理
2.5.2指示灯显示电路元件的选取与计算 第三部分 整机电路
3.1 整机电路图 …………………………………………………… 7 第四部分 性能指标的测试
3.2 元件清单 ………………………………………………………………… 8
4 电路实现的功能和系统使用说明………………………………………… 13
1.1 设计题目及要求
设计一个可测量电容值的电路。要求： 1. 电容测量范围为1000PF-2UF 。 2. 能实现电容的测试与显示。 3. 电源采用5V 或±5V 供电。
1.2总体设计方案 1.2.1设计思路
题目的关键步骤就是如何把电容值转变成为数字量，即利用受电容影响的电路把电容值转变为可测量，可处理的物理量和数字量，然后显示。 1.2.2方案论证与比较
从设计思路出发，可以提出以下两个方案：
方案1：把锯齿波信号输入到以被测电容为微分电容的微分电路，得出电容C x 和输出电压U x 之间的线性关系，经过整流滤波后，利用A/D转换把电压量以数字量形式表现出来，最后用显示电路显示。，如图1-2-1所示
图1-2-1
方案2：利用多谐振荡器接成单稳态触发器产生由外接电容决定其脉冲宽度的方波信号，用被测电容作为这个外界电容，即可得出被测电容C x 和脉冲宽度t w 之间的关系，将t w 用计数器转为数字量，通过译码后用显示电路显示出来，如图1-2-2所示
方案论证：
经过方案的初步比较，方案1采用A/D转换由模块精度确定，加之模拟模拟信号的不稳定性，可能会造成较大误差，而且A/D转换模块价格相对较高；方案2电路以及思路简单，实现精度可控，所以采用方案2。
2.1 标准脉冲信号电路
2.1.1标准脉冲信号电路工作原理
利用555产生一定占空比的脉冲信号，用作计数脉冲
2.1.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
考虑测量范围和电阻的大小，用1khz 频率计算合适。 计算过程：
f=1khz----- T=(R1+2R2)C 2ln2=1ms 取C=1uF,则R 1+2R2=1443Ω 取R 1=470Ω，R 2=487Ω C 1为滤波电阻，取0.01uF
2.2 多谐振荡器电路
2.2.1标准脉冲信号电路工作原理
用555组成多谐振荡器电路，电阻R 5，R 4，R 3控制输出t w 的大小。
在有溢出信号到来的时候，R 5和R 3 的左半部分被短路，接入电阻只有R 4和R 3右半部分，从而达到自动换挡的功能。
2.2.2标准脉冲信号电路元件的选取与计算
考虑测量范围为1000pF~2uF，把电容分成两档，10和10档。 计算过程： 如图的电路
在10-9档：t w1=1.1（R 5+R4+R3）C X =1ms 在10-8档：t w2=1.1R4C X =1ms 求得 R5+R3=818K， R4=91K
考虑到器件的输出电位的不稳定，所以R 3为可调电阻，取10K 2.3 锁定电路 2.3.1锁定电路工作原理
-9
-8
通过一个D 触发器作锁存器
当按下RST 按钮，Q ’=1，v1出现高电平时，触发信号为下降沿，多谐振荡器工作，产生一个时间为t w 的高电平。
v2为上升沿是，Q ’置0，触发信号保持在高电平，多谢振荡器不工作。 电路从放开RST 开始，只产生一个时间为t w 的高电平。
清零信号是计数器有溢出时产生，用以换挡后重新产生测量信号。
2.3.2锁定电路元件的选取
锁存器用74LS74，R 为上拉电阻，取10k Ω 2.4 计数、锁存、译码和数码管显示电路
2.4.1计数、锁存和数码管显示电路工作原理
用CD40110作计数、锁存和译码电路CLK 信号由标准脉冲信号输出和多谢振荡电路输出经过与门产生。最高位产生进位后，会产生一个清零信号，用来清零锁定电路的状态。
2.4.2计数、锁存和数码管显示电路元件的选取
计数、译码和锁存采用CD40110，显示用数码管。
2.5 指示灯显示电路
2.5.1指示灯显示电路工作原理
若计数器最高位不产生进位，Q 1为0，D 2亮，表示10-9档
若计数器最高位第一次产生进位，即有清零信号的时候，触发第一个D 触发器的CLK ，从而置Q 1为1，D 1亮，表示10档，由于D 触发器会产生延时，所以第二个触发器的CLK 不会为上升沿，Q 2为0，D 2不亮。
若计数器最高位第二次产生进位，即超出量程。在产生溢出的时候，第二个触发器的CLK 有上升沿产生，Q 2置1，D 1,D 2同时亮。
开关为清零开关，在再次测量的时候，先清零这两个锁存器，再清零锁定电路的锁存器。
-8
2.5.2指示灯显示电路元件的选取
R 为下拉电阻，取100Ω 触发器用74LS74
发光二极管用普通的发光二极管
3.1 整机电路图
3.2 元件清单
4 电路实现的功能和系统使用说明
电路实现测量范围为1000Pf~2uF的电容值（理论上可完成对1000Pf~9.99uF的测量），测量前先对溢出锁存器清零，然后对锁定电路清零。数码管显示数值，发光二极管指示档位，D 1为10-8档，D 2为10-9档，两灯一起亮为超量程。