電容測(cè)試儀課程設(shè)計(jì)匯本

1、電容測(cè)試儀課程設(shè)計(jì)一、容摘要本實(shí)驗(yàn)使用兩塊555芯片和一塊324芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)電容測(cè)試儀，該電容測(cè)試儀 分為四個(gè)量程，可以測(cè)從1.0nf到lO.Ouf的電容。555芯片的作用分別是構(gòu)成了 多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。324芯片中的一個(gè)放大器構(gòu)成了積分電路模塊。整 個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了將電容容值通過數(shù)字電壓表的直流檔直接讀出來的功能。關(guān)鍵詞：555芯片，324芯片，電容測(cè)試儀二、設(shè)計(jì)任務(wù)電容的容量值通本課題要求利用LM555設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量電容器容量的電路, 過數(shù)字電壓表的直流檔直接顯示。三、技術(shù)指標(biāo)1 熟悉電路的工作原理。2電容測(cè)量圍：1.0 nF 10.0uF。3. 可以分檔測(cè)量。4. 電源電壓在12V電

2、源圍選擇四、設(shè)計(jì)要求1 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過分析計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)。2 .畫出電路原理圖。元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)化3 .設(shè)計(jì)的電路先通過計(jì)算機(jī)仿真。4. 555定時(shí)電路通過查閱手冊(cè)獲得器件參數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)要求1 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定測(cè)試工程、測(cè)試方法和步驟。2. 確定實(shí)驗(yàn)所用儀器。3. 作出記錄數(shù)據(jù)的表格。4. 完成實(shí)驗(yàn)。六、電路工作原理集成定時(shí)器555電路是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，輸入信號(hào)自引 腳6和引腳2輸入，輸出信號(hào)至引腳3輸出。引腳4是復(fù)位端，當(dāng)其為0, 555 輸出低電平，平時(shí)4端開路或接Vcc。引腳5是控制電壓端，當(dāng)其外接一個(gè)輸入 電壓，即改變了比擬器的參考電平，

3、從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加 電壓時(shí)，通常接一濾波電容，以消除外界來的干擾，并確保參考電平的穩(wěn)定。當(dāng) 芯片部三極管導(dǎo)通時(shí)，將給接于引腳 7的電容提供低阻放電通路。整個(gè)電路分為三個(gè)局部：第一局部：555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器。5端口連接10nf電容，起濾波作用。 將端口 6和端口 2連在一起，作為輸入信號(hào) Vi的輸入端。在電路接通電源時(shí)， 由于電容Ci還未充電，所以Vc（即6端口和2端口）為低電平，電路輸出（即3端 口）為高電平。555芯片部的三極管截止，Vcc通過電阻（Ri+F2）對(duì)電容Ci充電，電 路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容 C的充電，Vc電位不斷升高，當(dāng)Vc>cc時(shí)

4、，電路輸出（即3端口）反轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，555芯片部的三極管導(dǎo)通，電容 Ci放電，電路進(jìn)入另一暫穩(wěn)態(tài)。 在這一暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容 Ci的放電，使Vc電位逐步下降。當(dāng)Vc下降至Vc<.cc時(shí)，使電路輸出（即3端口）翻轉(zhuǎn)為高電平，電路又一次自動(dòng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。此后，重復(fù)上述電容 Ci的充電過程，如此反復(fù)，形成多諧振蕩。其工作波形如 圖一所示。0twittw2圖i自激多諧振蕩器工作波形由上述分析，在電容充電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間為twi =0.7（Ri+R?）Ci在電容放電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間為tw2=0.7RCi因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tvi+ tw2=0.7

5、（R+2«）Ci振蕩頻率為f = i.44 / （ R +2 F2） G第二局部：555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。4端口接高電平Vcc。以2端口做 輸入觸發(fā)端，Vi的下降沿觸發(fā)，將芯片部三極管的集電極輸出7端通過換量程的電阻接Vx,構(gòu)成反相器。反相器輸出端 7接待測(cè)電容CX到地，同時(shí)7端口和6 端口連接在一起。這樣，構(gòu)成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其工作波形如圖2所示。Vi0 1 tVo圖2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形開場(chǎng)，輸入信號(hào) Vi=Vcc，所以輸出高電平。電源 Vcc通過調(diào)量程的電阻對(duì)待 測(cè)電容充電，使6端口電位上升。當(dāng)其充電至大于 彳CC時(shí)，輸出Vo為低電平。 同時(shí)，待測(cè)電容Cx放電，最后放

6、電至0,這是穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)V輸入信號(hào)下降沿到達(dá)時(shí)，Vi=0,使輸出為高電平。電路受觸發(fā)發(fā)生一次 翻轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于 Cx的充電，使6端口電位逐漸上升。當(dāng) 其大于t| cc時(shí)，電路輸出為低電平，又自動(dòng)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，暫穩(wěn)態(tài)完畢。同時(shí)， 待測(cè)電容很快放電至0，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。由上分析可見，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間主要取決于外接調(diào)量程電阻和待測(cè)電容， 不難求出輸出脈沖的寬度tw為tw=RCI nHl所以tw越寬，輸出的平均電流值越大，反之，那么小。第三局部：由LM324AN中的放大器組成積分器，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖信 號(hào)輸入到積分器中，輸出電壓值與脈沖電壓的關(guān)系為通過積分，輸出的電壓為

7、一穩(wěn)定值，選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚?，可以使待測(cè)電容值的大 小直接從數(shù)字電壓表的直流檔讀出來。七、電路原理圖本電容測(cè)試電路原理圖如圖3所示圖3電容測(cè)試儀電路八、仿真測(cè)試及仿真數(shù)據(jù)測(cè)1.0nf10.0nf的電容值，選擇470KQ檔;測(cè)10.0nf100.0nf的電容值，選擇 47 KQ檔；測(cè)100.0nf1000.0nf的電容值，選擇 4.7 KQ檔；測(cè)1.0uf10.0uf的電容值，選擇470 Q檔。注：實(shí)際仿真測(cè)試時(shí)，由于接上四腳開關(guān)使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以并沒有連接四 腳開關(guān)，而是直接接該量程電阻測(cè)的，小于4時(shí)接的并聯(lián)的電容同理。表1仿真數(shù)據(jù)測(cè)量圍Cx理論值Rx檔位C仿真測(cè)量值相對(duì)誤差1n f10 nf3

8、.3nf并 4.0nf470KQ3.244nf(+4nf)0.77%1n f10 nf6.8 nf470 KQ6.744nf0.82%10n f100 nf22nf并 40.0nf47KQ21.55nf +40nf0.73%10n f100 nf55 nf47 KQ54.65nf0.64%100 nf1uf220nf(并 400.0nf)4.7 K Q215.3 nf(+400.0nf)0.76%100nF1uf660nf4.7 K Q653.9nf0.92%1uf10uf3.33uf(并 4.0uf)470 Q3.267uf(+4.0uf)0.86%1uf10uf5uf470 Q4.962u

9、f0.76%圖4多諧振蕩器輸出波形T2-TIhrri電出世TimeL566 s1.666 s0.000 sChamelA0 .ODD VB.DOO Va .ODO VSave NOChsrrll ACharrd D&c=ale 1lD m s /D ivKposhion cATDSc3le 5 WCWY pcsitian c-Scale P MDiwTUgflsr田聘序劃E E|ErtV positioPlD圖5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形九、實(shí)際測(cè)試及實(shí)際數(shù)據(jù)本電路在測(cè)量電容時(shí)，由于電路本身設(shè)計(jì)的缺陷，每檔電容值首數(shù)字在4以下的測(cè)量就不準(zhǔn)確了（如量程在10.0nf至100.0nf之間時(shí)，10

10、.0nf40.0nf的電容值就測(cè)不準(zhǔn)確了），需要并聯(lián)一較大電容才能準(zhǔn)確測(cè)量。所以為了實(shí)際中在不知 電容值大小的情況下能準(zhǔn)確定位其測(cè)量檔位及電容值，我采取了如下方法：當(dāng)被測(cè)電容接入電路后，先選擇最小檔測(cè)量，如果滿偏，那么換上一檔，直至不滿偏， 證明是該檔電容，假設(shè)測(cè)出來的電壓值在六以下或六左右，（因?yàn)閿?shù)值在1左右的電容值有的測(cè)出來等于6左右,而其他數(shù)值在4以下的電容測(cè)量值都不超過6, 所以選擇該數(shù)作為是否并聯(lián)電容再測(cè)量的分界點(diǎn)）那么并聯(lián)一電容，使其數(shù)值不超過十并大于六，用測(cè)得的數(shù)值減去并聯(lián)的電容的值，就是待測(cè)電容的值。假設(shè)值不在六以下，那么測(cè)出來的電容值是多少就讀多少。由于每檔都是4以下的值測(cè)不

11、準(zhǔn)，所以理論上我想選擇用電壓值顯示為6時(shí)的電容值來并聯(lián)測(cè)不準(zhǔn)的電容，以便準(zhǔn)確判斷該電阻是否是所測(cè)量程之的電 容，好決定是否換更大的檔測(cè)量它。 但由于實(shí)際電容值的限制，我每檔選擇的并 聯(lián)電容值示之如下：1.0nf10.0nf 檔：并聯(lián) 6.8nf 電容；10.0nf100.0nf 檔：并聯(lián) 66nf 電容；100.0nf1000.0nf檔：并聯(lián) 660nf 電容；1.0uf10.0uf 檔： 并聯(lián) 5.0uf 電容。插好面包板后，由于實(shí)際中導(dǎo)線有電阻，器件也不能到達(dá)理想的功能的原因， 接470KQ、47KQ、4.7 KQ、470Q并不能準(zhǔn)確測(cè)出電容的值。所以我將每檔電阻 都換成了滑動(dòng)變阻器，通過

12、不斷調(diào)節(jié)使輸出電壓值能和待測(cè)電容值能很好的吻 合。最后調(diào)到的電阻值分別是：1.0nf10.0nf檔：2=固定電阻512 KQ+滑動(dòng)變阻器50 KQ;10.0 nf100.0 nf 檔：局=51.5 KQ;100.0nf1000.0nf檔：R3=5.44 KQ;1.0uf10.0uf 檔：R4=635 Qo表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征測(cè)量圍Cx理論值檔位C實(shí)際測(cè)量值誤差1n f10 nf1.0nf并 6.8nf562KQ1.05 nf(+6.8 nf)0.64%1nF 10 nf3.3nf并 6.8nf562 KQ3.51 nf(+6.8 nf)2.08%1n f10 nf6.8 nf562 KQ6.81

13、nf0.15%上一檔上界10n f100 nf10nf并 66nf51.5KQ10.5nf +66nf0.66%10n f100 nf22nf并 66nf51.5KQ22.4nf +66nf0.45%10n f100 nf55 nf51.5KQ53.9 nf2.00%上一檔上界100 nf1uf100nf(并 660nf)5.44KQ111 nf(+660nf)1.44%100nF1uf220nf(并 660nf)5.44KQ238nf(+660nf)2.05%100nF1uf470nf5.44KQ480nf2.13%100nF1uf550nf5.44KQ562nf2.18%100nF1uf6

14、60nf5.44KQ665nf0.76%上一檔上界1uf10uf1uf(并 5uf)635 Q1.19uf(+5uf)3.17%1uf10uf3.33uf(并 5uf)635 Q3.49uf(+5uf)1.92%1uf10uf5uf635 Q5.03uf0.60%此檔上界1uf10uf10uf635 Q9.66uf3.4%由于每檔測(cè)量其上界電容值都沒有將其放入更高檔測(cè)量準(zhǔn)確，所以我將每檔的上界電容值都放在了更高一級(jí)的檔位測(cè)量了。教師在檢查過程中，先讓我測(cè)試了某一檔電容的值，該檔電容值都滿足精度 要求，然后教師將一未知電容接入電路相應(yīng)位置，第一次由于緊，我忘了小電容要并聯(lián)一個(gè)電容后測(cè)量才準(zhǔn)確的原

15、那么，導(dǎo)致測(cè)出的數(shù)據(jù)不太準(zhǔn)確。后來，教師又給了我一個(gè)電容，吸取上一個(gè)的經(jīng)歷，我仔細(xì)測(cè)量，從最小量程開場(chǎng)，逐一排 除，得知這個(gè)電容的大概容值在 100nf1000nf之間，然后測(cè)得這個(gè)電容在該檔 時(shí)電壓表只顯示有三左右，證明它也需并連一個(gè)電容才能準(zhǔn)確測(cè)量， 所以我并上 了兩個(gè)330nf電容，即相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)660nf電容，電壓表顯示為9.94伏，證 明測(cè)出來的電容值為994nf，減去并聯(lián)的電容值，即最后測(cè)得的電容值為 334nf, 摘下待測(cè)電容，讀取其數(shù)值，為 330nf,誤差為0.40%,滿足精度要求，測(cè)試成 功。十、主要儀器名稱及型號(hào)設(shè)備及元器件名稱型號(hào)數(shù)量直流穩(wěn)壓電源DF1731一.臺(tái)數(shù)

16、字示波器TDS2002一.臺(tái)萬用表FLUKE15B-個(gè)面包板一塊本次試驗(yàn)，我完成了電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足精度要求，并且成功 測(cè)試了未知電容的數(shù)值。第一次插面包板時(shí)，我由于粗心，第二塊555芯片的5端口忘了連接一個(gè)電 容，導(dǎo)致開場(chǎng)怎么調(diào)節(jié)電阻也不能準(zhǔn)確測(cè)量電容值。 后來，通過檢查線路發(fā)現(xiàn)了 此錯(cuò)誤并改正后，實(shí)驗(yàn)就進(jìn)展得很順利了，但由于測(cè)量數(shù)據(jù)較多，還是花費(fèi)了不 少時(shí)間。由于使用了滑動(dòng)變阻器，數(shù)據(jù)測(cè)量變得更加準(zhǔn)確，但教師說滑動(dòng)變阻器 在使用過程中可能改變阻值，使測(cè)量不準(zhǔn)確，所以最好的方法是測(cè)得滑動(dòng)變阻器 調(diào)好的阻值后，用值最接近的色環(huán)電阻代替，這點(diǎn)在以后的實(shí)驗(yàn)過程中我會(huì)注意。實(shí)驗(yàn)前，我認(rèn)真檢查了