电容测试仪课程设计

一、内容摘要

   本实验使用两块555芯片和一块324芯片设计了一个电容测试仪，该电容测试仪分为四个量程，可以测从到的电容。555芯片的作用分别是构成了多谐振荡器和单稳态触发器。324芯片中的一个放大器构成了积分电路模块。整个电路实现了将电容容值通过数字电压表的直流档直接读出来的功能。

关键词：555芯片，324芯片，电容测试仪

二、设计任务

 本课题要求利用LM555设计一个测量电容器容量的电路，电容的容量值通过数字电压表的直流档直接显示。

三、技术指标

1．熟悉电路的工作原理。

2．电容测量范围：~。

3．可以分档测量。

4．电源电压在12V电源范围内选择。

四、设计要求

1．根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

2．画出电路原理图。（元器件标准化，电路图规范化）

3．设计的电路先通过计算机仿真。

4．555定时电路通过查阅手册获得器件参数。

五、实验要求

  1．根据技术指标确定测试项目、测试方法和步骤。

  2．确定实验所用仪器。

  3．作出记录数据的表格。

  4．完成实验。

六、电路工作原理

   集成定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，输入信号自引脚6和引脚2输入，输出信号至引脚3输出。引脚4是复位端，当其为0，555输出低电平，平时4端开路或接Vcc。引脚5是控制电压端，当其外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一滤波电容，以消除外界来的干扰，并确保参考电平的稳定。当芯片内部三极管导通时，将给接于引脚7的电容提供低阻放电通路。

整个电路分为三个部分：

第一部分：555定时器构成多谐振荡器。5端口连接10nf电容，起滤波作用。将端口6和端口2连在一起，作为输入信号Vi的输入端。在电路接通电源时，由于电容C1还未充电，所以Vc(即6端口和2端口)为低电平，电路输出(即3端口)为高电平。555芯片内部的三极管截止，Vcc通过电阻(R1+R2)对电容C1充电，电路进入暂稳态。

在暂稳态期间，随着电容C1的充电，Vc电位不断升高，当Vc≥cc时，电路输出(即3端口)反转为低电平，电路发生一次自动翻转。

与此同时，555芯片内部的三极管导通，电容C1放电，电路进入另一暂稳态。在这一暂稳态期间，随着电容C1的放电，使Vc电位逐步下降。当Vc下降至Vc≤cc时，使电路输出(即3端口)翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，重复上述电容C1的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。其工作波形如图一所示。

图1 自激多谐振荡器工作波形

由上述分析，在电容充电时，暂稳态的持续时间为

tw1=(R1+R2)C1

在电容放电时，暂稳态持续时间为

tw2=2C

因此，电路输出矩形脉冲的周期为

T= tw1+ tw2=((R1+2R2)C1

振荡频率为

f =  / [( R1 +2 R2) C1]

第二部分：555定时器构成单稳态触发器。4端口接高电平Vcc。以2端口做输入触发端，Vi的下降沿触发，将芯片内部三极管的集电极输出7端通过换量程的电阻接Vcc，构成反相器。反相器输出端7接待测电容Cx到地，同时7端口和6端口连接在一起。这样，构成积分型单稳态触发器，其工作波形如图2所示。

图2 单稳态触发器工作波形

开始，输入信号Vi=Vcc，所以输出高电平。电源Vcc通过调量程的电阻对待测电容充电，使6端口电位上升。当其充电至大于cc时，输出Vo为低电平。同时，待测电容Cx放电，最后放电至0，这是稳定状态。

当Vi输入信号下降沿到达时，Vi=0，使输出为高电平。电路受触发发生一次翻转。

与此同时，电路进入暂稳态。由于Cx的充电，使6端口电位逐渐上升。当其大于cc时，电路输出为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态结束。同时，待测电容很快放电至0，电路恢复到稳定状态。

由上分析可见，暂稳态的持续时间主要取决于外接调量程电阻和待测电容，不难求出输出脉冲的宽度tw为

tw=RCln

所以tw越宽，输出的平均电流值越大，反之，则小。

第三部分：由LM324AN中的放大器组成积分器，将单稳态触发器输出的脉冲信号输入到积分器中，输出电压值与脉冲电压的关系为

通过积分，输出的电压为一稳定值，选择适当的电阻值，可以使待测电容值的大小直接从数字电压表的直流档读出来。

七、电路原理图

本电容测试电路原理图如图3所示

图3 电容测试仪电路

八、仿真测试及仿真数据

测~的电容值，选择470KΩ档;

测~的电容值，选择47 KΩ档；

测~的电容值，选择 KΩ档；

测~的电容值，选择470 Ω档。

注：实际仿真测试时，由于接上四脚开关使数据不准确，所以并没有连接四脚开关，而是直接接该量程电阻测的，小于4时接的并联的电容同理。

表1 仿真数据

图4 多谐振荡器输出波形

图5 单稳态触发器输出波形

九、实际测试及实际数据

本电路在测量电容时，由于电路本身设计的缺陷，每档电容值首数字在4以下的测量就不准确了(如量程在至之间时，~的电容值就测不准确了)，需要并联一较大电容才能准确测量。所以为了实际中在不知电容值大小的情况下能准确定位其测量档位及电容值，我采取了如下方法：当被测电容接入电路后，先选择最小档测量，如果满偏，则换上一档，直至不满偏，证明是该档电容，若测出来的电压值在六以下或六左右，(因为数值在1左右的电容值有的测出来等于6左右,而其他数值在4以下的电容测量值都不超过6,所以选择该数作为是否并联电容再测量的分界点)则并联一电容，使其数值不超过十并大于六，用测得的数值减去并联的电容的值，就是待测电容的值。若值不在六以下，则测出来的电容值是多少就读多少。

由于每档都是4以下的值测不准，所以理论上我想选择用电压值显示为6时的电容值来并联测不准的电容，以便准确判断该电阻是否是所测量程之内的电容，好决定是否换更大的档测量它。但由于实际电容值的，我每档选择的并联电容值示之如下：

~档：    并联电容；

~档：  并联66nf电容；

~档：并联660nf电容；

~档：    并联电容。

插好面包板后，由于实际中导线有电阻，器件也不能达到理想的功能的原因，接470KΩ、47KΩ、 KΩ、470Ω并不能准确测出电容的值。所以我将每档电阻都换成了滑动变阻器，通过不断调节使输出电压值能和待测电容值能很好的吻合。最后调到的电阻值分别是：

~档：    R1=固定电阻512 KΩ+滑动变阻器50 KΩ；

~档：  R2= KΩ；

~档：R3= KΩ；

~档：    R4=635 Ω。

表2 实测数据

老师在检查过程中，先让我测试了某一档电容的值，该档电容值都满足精度要求，然后老师将一未知电容接入电路相应位置，第一次由于紧张，我忘了小电容要并联一个电容后测量才准确的原则，导致测出的数据不太准确。后来，老师又给了我一个电容，吸取上一个的经验，我仔细测量，从最小量程开始，逐一排除，得知这个电容的大概容值在100nf~1000nf之间，然后测得这个电容在该档时电压表只显示有三左右，证明它也需并连一个电容才能准确测量，所以我并上了两个330nf电容，即相当于并联了一个660nf电容，电压表显示为伏，证明测出来的电容值为994nf，减去并联的电容值，即最后测得的电容值为334nf，摘下待测电容，读取其数值，为330nf，误差为%，满足精度要求，测试成功。

十、主要仪器名称及型号

本次试验，我完成了电容测试仪的设计，实验结果满足精度要求，并且成功测试了未知电容的数值。

第一次插面包板时，我由于粗心，第二块555芯片的5端口忘了连接一个电容，导致开始怎么调节电阻也不能准确测量电容值。后来，通过检查线路发现了此错误并改正后，实验就进行得很顺利了，但由于测量数据较多，还是花费了不少时间。由于使用了滑动变阻器，数据测量变得更加准确，但老师说滑动变阻器在使用过程中可能改变阻值，使测量不准确，所以最好的方法是测得滑动变阻器调好的阻值后，用值最接近的色环电阻代替，这点在以后的实验过程中我会注意。

实验前，我认真检查了导线是否导通，所以插板时没有因为导线断路导致电路不好用。但连线过程中我应该更仔细有没有漏连的地方，如果不是因为插板时少接了一个电容，我能更快地完成实验。

由理论电路搬到实际电路中来的时候，肯定会产生误差，因为导线会有电阻，电容电阻值也不一定是刚好的那个值，仪器也会有误差，所以，要通过改变一些电阻值来达到理想的实验效果，调试过程中要耐心且细心，切不可浮躁。

通过本次实验，我更好地了解了555芯片和324芯片的工作原理，学会了使用面包板，提高了自己动手能力，将理论知识用于实际电路，获益匪浅。