一、概述 随着科学技术的不断发展, 人类社会进入高科技时代,而以电子元件组成的 电器在生活中被运用的越来越广泛,大至航空航天技术,小到手机、电子手表等 等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中 的作用, 因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少,测量电容的大小的 办法也越来越多,并且多样化、高科技化。当然,测量的结果应该保持较高的精 确度和稳定性,不仅如此,还应兼顾测量速度快等要求。 目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于 NE555 的 RC 充放电原理等等,而此次课程设计采用的是基于 NE555 的 RC 冲放电原理。用 2 片 NE555 芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器,将待测电容接入单稳态触 发器中, 将电容的大小转换成一定的脉冲宽度,在这个脉冲宽度内的多谐振荡器 产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计 算出待测电容的大小,并且达到精确度比较高(±10%) 、测量数值较为稳定,量 程可控制(0.2uF—20uF)的要求,而且所设计的电路比较简易,所用的都是一 些常用的元器件,电路连接简单不繁杂。 本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体 会及合理和建议等部分组成,另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。 二、方案论证 本设计方案采用的是基于 NE555 的 RC 充放电原理的脉冲宽度测量法,本设 计的主要由测量电路、 计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是 由 2 片 555 定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成,计数电路由 3 片 74LS160 构成的计数器和 2 片 74LS273 构成的锁存器组成,显示电路由 3 片内部 自带译码器的数码显示管(DCD_HEX)组成。 脉冲宽度测量法的系统功能框图如图 1 所示, 利用单稳态触发器在待测电容 C2 上的充放电的规律,将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度 Tw ,再将单稳 态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门, 与门的输出信 号中脉冲宽度 Tw 内的脉冲个数 N 通过 3 片十进制计数器计数后输入到 2 片锁存 器, 最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管,数码显示管所显示的数值就 是脉冲个数 N 。由于初始相位不定和传输的时间差等原因,第一个显示的数字 并不是准确的脉冲个数 N ,而准确的数值大小为显示稳定后的数值。 由于本方案大多采用的是数字元器件, 因此对外界的干扰信号有着很强的抵 抗能力, 而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件,只要外界存在有一定强度 的干扰信号,就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此,外界的温度也会对模 拟元器件产生很大的影响, 而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采 1 用本方案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响, 从而提高测 量准确度,适用于大多数环境。 图1 系统功能框图 本设计由于是采用计数器直接计数,经锁存器锁存后输入数码管进行显示, 省去了信号直接的转换,使相对误差减小。 三、电路设计 电路设计包括了两大部分,总电路图见附录 I。考虑到实际生活中的需要, 因此设计了能将日常生活用电转换成 5V 的直流电,转换电路图如图 2。 40 42 LM7805KC LINE VOLTAGE VREG COMMON U13 38 2 V1 T1 4 D5 1 43 220 Vpk 50 Hz 0° NLT_PQ_4_10 41 C6 100uF C5 100uF 3 39 1B4B42 0 图2 5V 直流电流源 这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后,输出的电压 为稳定的 5V 直流电,将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。 第二大部分又分为三个小部分,分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以 及显示电路部分。 首先是测量电路部分,电路图如图 3 所示, 此部分由 2 片 555 定时器连成的 单稳态触发器和多谐振荡器组, 上面的 555 定时器为单稳态触发器,下面的为多 谐振荡器。 多谐振荡器 3 端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器 2 端的输入信 号。图中 C2 为待测电容,接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电,单稳态 触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。 这个信号经过一个非门 后作为锁存器的时钟信号。 而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉 2 冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。 VCC 5V R1 1.94kΩ 3 VCC 4 7 6 2 RST DIS THR TRI CON 8 VCC OUT U1 3 U4 NOT 连接锁存 器 的 CLK端 C2 1uF 15 C1 1uF 8 GND 1 连接计数 器清零端 0 LM555CN U3A 74AS08N 7 连接计数器 的 CLK输 入 端 R2 300 Ω 4 4 7 6 2 RST DIS THR TRI CON 8 VCC U2 OUT 3 R3 30kΩ 5 2 5 C4 C3 10nF 6 GND 1 LM555CN 0.2uF 图3 测量电路 单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽 Tw 计算公式如下: Tw ? R1C2 ln 3 当 R 值固定时, Tw 与 C2 的大小成正比。 C2 越大,在 Tw 时间内通过与门的 脉冲数 N 就越多,数码管所显示的数字就越大。 多谐振荡器的振荡周期 T 的计算公式如下: T ? ( R2 ? 2 R3 )C4 ln 2 考虑到设计要求中量程为 0.2uF—20uF,令 C4 为 0.2uF。单稳态触发器 3 端 输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足: R1C2 ln 3 ? N ( R2 ? 2 R3 )C4 ln 2 经过整理得: C2 ? N ( R2 ? 2R3 )C4 ln 2 / R1 ln 3 适当的选取 R1 、 R2 和 R3 的值,使 ( R2 ? 2 R3 )C4 ln 2 / ln 3 ? 1 ,则数码管所显示 的数值 N 为 C2 与 C4 的比值。这样我们就可以直接计算出 C2 的大小了。例如,当 3 待测电容 C2 为 1uF 时,多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输 出信号、与门输出信号如图 4 所示。 图4 待测电容为 1uF 时各输出信号波形 上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器 输出信号、与门输出信号。 其次是计数锁存电路部分,本部分电路图如图 5 所示。 接数码管 14 16 17 12 15 13 18 接数码管 25 27 26 28 19 16 15 12 9 6 5 2 11 接电源 接非门 输出端 接单稳态 输出端 接与门 输出端 14 13 12 11 15 QA QB QC QD RCO CLK ~CLR 8Q 7Q 6Q 5Q 4Q 3Q 2Q 1Q 19 16 15 12 9 6 5 2 U3 74LS273N CLK ~CLR 8Q 7Q 6Q 5Q 4Q 3Q 2Q 1Q 11 1 U7 74LS273N 8D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 11 1 18 17 14 13 8 7 4 3 31 23 2 4 3 5 1 6 7 8 15 14 13 12 11 14 13 12 11 QA QB QC QD QA QB QC QD RCO U1 ~LOAD ~CLR CLK U2 ~LOAD ~CLR CLK RCO 15 18 17 14 13 8 7 4 3 8D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 19 21 20 22 U6 ~LOAD ~CLR 9 1 CLK 2 74LS160N ENP ENT A B C D 7 10 74LS160N ENP ENT A B C D 7 10 74LS160N 7 10 ENP ENT A B C D 3 4 5 6 3 4 5 6 9 1 2 3 4 5 6 9 1 30 9 24 29 10 图5 计数锁存电路 4 2 计数器 74LS160N 是一个同步十进制加法计数器,上升沿有效。其管脚图如 14 13 12 11 15 图 6 所示。 7 10 3 4 5 6 9 1 图 6 74LS160N 管脚图 其中 A、B、C、D 端接地,QA—QD 为输出端连接锁存器的输入端,RCO 为进 位输出端,ENP、ENT 为计数控制端,LOAD 为同步并行置入端,CLR 为异步清零 端,CLK 为时钟信号输入端。其功能真值表如表 1 所示,计数器的状态转换表如 表 2 所示。 表 1 74LS160 功能真值表 CLK × ↑ × × ↑ 计数顺序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CLR 0 1 1 1 1 电 QA 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 QB 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 LOAD × 0 1 1 1 表2 ENP × × 0 × 1 74LS160 状态转换表 2 74LS160N U1 RCO ~LOAD ~CLR QA QB QC QD ENP ENT A B C D CLK ENT × × 1 0 1 态 QD 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 等效十进 制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 工作状态 清零 预置数 保持 保持 计数 进位输出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 路 QC 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 状 多谐振荡器和单稳态触发器产生的信号经过与门后,作为计数器的时钟信 号,而单稳态触发器的输出信号作为计数器的清零信号。计数控制端都接高位, 由图 4 可知单稳态触发器输出信号处于高电平,计数器开始计数。经过一个脉冲 宽度后清零端输入为低电平, 计数器清零。当单稳态触发器输出信号重新为高电 平时,计数器又从 0 开始计数,以此一直循环。因此计数器输出的数值为一个固 5 定的值。 本设计方案中,由于量程为 0.2uF—20uF,因此要计数的数值将达上百,因 此用 3 片 74LS160N 连成计数可以从 0 到 999 的电路。将第一片的进位输出端连 接到第二片的计数控制端, 而第二片的进位输出端连接到第三片的计数控制端以 达到设计要求。 锁存器 74LS273 是一个 8 位数据/地址锁存器,其是一种带清除功能的 8D 触发器,管脚图如图 7 所示。 2 5 6 9 12 15 16 19 3 4 7 8 13 14 17 18 图 7 74LS273N 管脚图 功能表如表 3 所示。 表 3 74LS237 功能表 输 CLR 0 1 1 1 CLK × ↑ ↑ 0 入 D × 1 0 × 1 11 74LS273N U1 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q ~CLR CLK 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 输出 Q 0 1 0 保持前态 其中 D1—D8 为输入端,连接计数器;Q1—Q8 为输出端,连接数码管;CLR 为主清除端,低电平触发,即当输入为低电平是,芯片被清除,输出全为 0;CLK 为锁存控制端,上升沿触发,即当 CLK 输入信号从低电平到高电平时,数据通过 芯片,当输入信号为低电平时,数据将被锁存,不论输入端 D1—D8 数据如何改 变,输出端 Q1—Q8 数据不变,从而达到锁存功能。因此 CLR 接高电平,使锁存 器一直处于工作状态, 单稳态触发器的输出信号通过非门后的输出信号作为锁存 器的锁存信号, 其目的是在计数器在一个脉冲宽度时间内计数后,清零之前将数 据进行锁存,以此达到显示的数字呈稳定状态。 最后的显示电路由 3 片自带译码器的数码显示管组成, 其管脚图如图 8 所示。 U1 DCD_HEX 图8 数码显示管 用 3 片数码显示管分别显示个位、十位和百位的数值。数码管显示的数值是 6 经过计数器的计数, 锁存器锁存后的数值。由于单稳态触发器输出信号的脉冲宽 度固定且多谐振荡器输出信号的频率不变,因锁存器锁存的数一直为固定值,固 数码显示管显示的数不变。 四、性能测试 首先是对 5V 电流源电路进行测试,测试电路如图 9 所示,仿真数据如图 10 所示,其测试数据如表 4 所示。 XMM1 XSC1 G T A B C D 1 5 LM7805KC LINE VOLTAGE 2 VREG U1 8 探针2, 探针1 V1 T1 4 D5 1 4 COMMON 220 Vpk 50 Hz 0° NLT_PQ_4_10 2 C3 100uF 3 C2 3 1B4B42 V: V(峰-峰): V(有效值): 100uF ): V(直流 I: 0 I(峰-峰): I(有效值): I(直流): 频率: 图9 电源测试电路 图 10 5V 电压源输出波形图 7 表 4 5V 电压源测试数据表 频率(HZ) 103 阻值(MΩ ) 500.497 电压(V) 5.004 其次是对总电路分别用 2uF、4uF、6uF、8uF、10uF、12uF、14uF、16uF、 18uF 和 20uF 电容作为待测电容进行测试, 选其中 3 个电容进行测试, 结果如下, 相对误差的计算公式为:相对误差 = | 测试值- 真实值 |/真实值。 测试电容为 2uF 时显示的数值如图 11 所示,各输出波形如图 12 所示。 图 11 测试电容为 2uF 时显示的数值 图 12 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试结果为 1.8uF,相对误差为 10%,符合设计要求。 测试电容为 8uF 时显示的数值如图 13 所示,其个输出波形如图 14 所示。 8 图 13 测试电容为 8uF 时显示的数值 图 14 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试结果为 8.4uF,相对误差为 5%,符合设计要求。 测试电容为 20uF 时显示的数值如图 15 所示,各输出波形如图 16 所示。 图 12 测试电容为 20uF 时显示的数值 9 图 16 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试的结果为 20.2uF,相对误差为 1%,符合设计要 求。 将上述 3 个测试结果和其它 7 个数据记入下表: 表5 所有测试数据 待测电容(uF) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 实际测量(uF) 1.8 3.8 5.8 8.4 10.4 12.4 13.6 15.6 17.6 20.2 相对误差 10% 5% 3.3% 5% 4% 3.3% 2.8%% 2.5% 2.2% 1% 五、结论 当待测电容接入电路后,在 2 秒左右即可显示出数值。而且当电容取 0.2uF 到 20uF 时,数码管显示的数值应该是 000 到 100 中的一个值。相对误差是一直 存在的,避免不了,因为数据的传输以及器件的反应都需要消耗一定的时间。