1、1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 xC。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范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容 xC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 ov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 ov输入到 7448
2、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2目录一、测量系统的方案设计31.1、测量部分的系统方案设计31.1.1、恒亚充电法测量31.1.2、恒流充电法测量31.1.3、脉冲计数法测量31.2、测量信号数字化系统方案选择31.2.1、利用单片机进行编程翻译41.2.2、利用译码器进行翻译4二、单元电路的设计及原理432.1、 电容值测量电路及原理42.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理62.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理72.1.3、滤波器工作电路图及原理82.2、模拟信号的处理以及数字化显示9三、系统
3、参数设定10四、结论及谢词114.1、结论114.2、谢词114参考文献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： 。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种tuidC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
4、测量。测量所用的原始公式是： . .所以 。恒流源的电流大小是已知的，时qCuititUc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。5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： ，这个频率可以自己选择电阻和f12.43()RC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 构成单稳态触xC发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡
5、信号 作为单稳态触发器的触发信1ov号。根据电容 的大小来调节占空比 。LM741 与两个电容以及一个xC.wxTR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 滤波成为稳定2ov的输出电压 。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只ov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。
6、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
7、理62.1.1 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 上升到 时，使cv23CV为低电平，同时放电三极管 T 导通，此时电容 C 通过 和 T 放电， 下降。ov 2Rcv当 下降到 时， 翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:c3CVov22ln0.7pLtR当放电结束时，T 截止， 将通过 、 向电容器 C 充电， 由 上CV1R2cv3CV升到 所需的时间为：3CV1212()ln0.7()pHt当上升到 时，电路又翻转为低电平。如此周而复
8、始，于是，在电路的2C输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为： 12.43()pLHftRC2.1.2 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： 7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8其工作原理是：没有触发信号时 处于高电平（ ） ，如果接通1v1v3CV电源后 Q=0=0， T 导通，电容通过放电三极管放电，使 =0， 保持低电平不变。ov co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
9、R 向电容 充xC电，当 上升到 时，由于 R=0,S=1 锁存器置 0， 为低电平。此时放电cv23CVov三极管 T 导通，电容 放电， 保持低电平不变。因此，电路通电后在没有xov触发信号时，电路只有一种稳定状态 =0。若触发输入端施加触发信号（ ） ，电路的输出状态由低电平跳变1v3CV为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管 T 截止。此后电容 充电，当 充xCx电至 = 时，电路的输出端电压 由高电平翻转为低电平，同时 T 导通，cv23CVov于是电容 放电，电路返回到稳定状态。x如果忽略 T 的饱和压降，则 从零电平上升到 的时间，即为输出电cv23CV压 的脉宽ovwtln31.
10、wxxtRC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。也可以保证测量的范围能够达到100pF100uF。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。9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 的信号 进行平滑滤波，使wtov最后产生出来的信号（即是图 2-1-3 中的 ）与被测量的 呈线性关系。xC2.1.4 滤波器工作电路图及原理测试部分所用的总的电路图
11、如图 2-1-4 所示。图中的 即是被测量的电x容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为 1518 伏特之间。10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G1G4 组成的附加控制电路的影响（即 G3 和 G4 的输出为高电平） ，则 YaYg 与A3、A 2、A 1、 A0 之间的逻辑关系为： 0123012 01201231021302AYAYAgfedcba
