1、 數(shù)顯電容測(cè)試儀 摘 要 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步， 電容器在電子線路中得到廣 泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要的影響，因此測(cè)量電容的大小 在生產(chǎn)和生活中起著至關(guān)重要的作用。本課題就是關(guān)于電容的測(cè)量并通過(guò)數(shù)字 顯示出來(lái)。 電容測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展水平越來(lái)越高，目前，電容測(cè)量?jī)x的應(yīng)用 現(xiàn)狀是：品種多樣，技術(shù)含量高。 電容的測(cè)量有多種方法，有電橋法、單片 機(jī)法、容抗法、調(diào)頻法、運(yùn)算放大器法、脈寬調(diào)制法等。本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制 法，本電容表五位 LED 顯示容量，兩位 LED 顯示單位，分為三個(gè)量程：0pF 99999PF、0.001F99.999F、0.1F9999.9F。全數(shù)字

2、電路，晶振穩(wěn)頻誤差 小，耗電量小，制作費(fèi)用低。電路可分為四個(gè)部分，顯示電路、測(cè)量電路、量 程轉(zhuǎn)換及符號(hào)控制電路、電源電路。要用數(shù)字電路來(lái)測(cè)量電容的容量可以把容 量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的脈寬寬度，將電容接入一由 NE555 構(gòu)成的單穩(wěn)電路，此電路 的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即脈寬。此脈沖用來(lái)控制一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，讓固定頻率的脈沖通過(guò) 電子開(kāi)關(guān)送往顯示電路，由七個(gè)數(shù)碼管顯示出來(lái)。 我們有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展，在電子技術(shù)領(lǐng)域里，電容量的測(cè) 量?jī)x器電容測(cè)量?jī)x將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用；電容測(cè)量?jī)x也將向著更合理， 更科學(xué)，更適用的方向不斷向前發(fā)展！ 關(guān)鍵詞：譯碼顯示，計(jì)數(shù)測(cè)量 ，脈寬調(diào)制法 ，單穩(wěn)電路 目錄 摘要.I ABS

3、TRACT.II 目錄.III 第一章 緒論.1 1.1 課題研究現(xiàn)狀 .1 1.1.1 電容測(cè)量的技術(shù)發(fā)展 .1 1.1.2 課題研究的 目的與意義.2 1.2 課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 .2 1.3 課題指標(biāo)與參數(shù) .2 第二章 各設(shè)計(jì)方案的比較及論證.3 2.1 各方案基本原理的介紹.4 2.2 方案比較及確定.8 第三章 總體電路設(shè)計(jì).9 3.1 系統(tǒng)工作原理及方框圖 .9 3.1.1 容量測(cè)量 工作原理 .10 3.1.2 NE555 的介紹.10 3.2 電源電路 .12 3.2.1 橋式整流電路的工作原理 .13 3.3 測(cè)量電路 .14 3.3.1 MC14060 的介紹.15 3.3

4、.2 MC14040 的介紹.17 3.4 量程轉(zhuǎn)換及符號(hào)控制電路.18 3.4.1 MC14017 的介紹.19 3.5 計(jì)數(shù)顯示電路 .21 3.5.1 七段 LED 顯示及其工作原理 .23 3.5.2 MC14543 的介紹.24 3.6 采用脈寬調(diào)制法的誤差分析 .26 3.7 使用方法與校正 .27 3.8 元件的選擇與制作 .27 3.9 整體電路原理圖 .28 第四章 PROTEL DXP 應(yīng)用.29 4.1 PROTEL DXP 的介紹 .29 4.2 原理圖設(shè)計(jì)步驟.30 4.3 PCB 板圖的設(shè)計(jì)步驟.31 結(jié) 論.35 參考文獻(xiàn).36 致 謝.37 附錄.38 第一章

5、緒 論 1.1 課題研究現(xiàn)狀 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛猛 進(jìn)，電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重 要的作用。因此，電容量的測(cè)量在日常使用中就不可避免。電容測(cè)量?jī)x的發(fā)展 水平越來(lái)越高，目前電容測(cè)量?jī)x的應(yīng)用現(xiàn)狀是：品種多樣，技術(shù)含量高。如： YD2612A/12B 電容測(cè)量?jī)x，它有著良好的測(cè)試穩(wěn)定性，抗沖擊能力強(qiáng)。如： TH2615 系列電容測(cè)量?jī)x，它是一種易操作、智能化的電容測(cè)量?jī)x，儀器價(jià)格 低，測(cè)試速度快。如：多頻 HF2617 電容測(cè)量?jī)x，它的可靠性穩(wěn)定性強(qiáng)，測(cè)量 顯示直觀，適用性好。因此，目前精確度高、穩(wěn)定性好、儀器價(jià)格低

6、、測(cè)試速 度快的電容測(cè)量?jī)x有著極大的需求。 1.1.1 電容測(cè)量的技術(shù)發(fā)展 測(cè)量電容器的參數(shù)，最經(jīng)典的方法是采用電橋法，80 年代問(wèn)世了數(shù)字自動(dòng) 電橋，電橋在內(nèi)部微機(jī)的控制下自動(dòng)平衡，最終結(jié)果直讀得到，大大方便了使 用，如今高壓西林電橋、高頻電橋等幾乎已經(jīng)被自動(dòng)化電橋所替代。由于電橋 的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)也較高，對(duì)電容器的一般測(cè)量如僅測(cè)其電容量，可以用 阻抗法測(cè)試。阻抗法相對(duì)于電橋法簡(jiǎn)單的多，有的數(shù)字式萬(wàn)用表配備有電容測(cè) 試功能，其原理大都是以阻抗法實(shí)現(xiàn)的。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別對(duì)相 位角測(cè)試精度的提高，在阻抗法測(cè)量的同時(shí)增加相位角的測(cè)量可以較準(zhǔn)確的得 到介質(zhì)損失角，在一定范圍內(nèi)已經(jīng)可以

7、替代電橋法測(cè)量。小型電容測(cè)試儀還常 用積分法或斜率法（含雙斜率）測(cè)試電容，原理是測(cè)試 RC 積分時(shí)間或以恒流 源對(duì)被測(cè)電容充電，用充電時(shí)間或充電終止電壓來(lái)計(jì)算被測(cè)電容的電容量，可 以達(dá)到比較高的測(cè)試精度，因?yàn)闇y(cè)試電源本質(zhì)上為直流，該方法對(duì)測(cè)試電解電 容非常合適。 1.1.2 課題研究的目的與意義 數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，電容是電子技術(shù)中不可缺少 的部分，它在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重 要的作用。因此，電容量的測(cè)量在日常使用中就不可避免。通過(guò)對(duì)數(shù)顯電容測(cè) 量?jī)x的設(shè)計(jì)，使我鞏固了所學(xué)的本專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和基本技能，培養(yǎng) 了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)

8、獨(dú)立分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力；同時(shí)對(duì)電容測(cè)量 儀器的工作原理、元器件選擇及電子儀器的常用設(shè)計(jì)方法等有比較深入的了解； 進(jìn)而掌握了應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)的基本思想和方法；可以幫助改進(jìn)現(xiàn) 有電容測(cè)量系統(tǒng)的不足，為企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新做出幫助；提高自己的動(dòng)手實(shí)踐能力 和對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣，為自己以后從事電子類專業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 1.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1. 方案比較及論證 查閱相關(guān)資料，找到設(shè)計(jì)電路的基本思路。 2. 基本測(cè)量原理。 3. 工作原理、框圖及單元電路設(shè)計(jì)。 4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及元器件選擇。 5. 繪電路原理圖，列元件明細(xì)表，整理及分析有關(guān)數(shù)據(jù)。 6. 結(jié)論。 1.3 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù) 1.

9、測(cè)量范圍：第一檔 0pF99999pF，第二檔 0.001F99.999F，第三檔 0.1F9999.9F 2. 測(cè)量小電容時(shí)有校正電路。 3. 顯示方式：七位 LED 數(shù)碼管顯示，五位 LED 顯示電容量，兩位 LED 顯示單位。 4. AC220V 供電 第二章 方案比較與論證 2.1 各方案基本原理的 介紹 電容測(cè)量?jī)x的基本原理是把容量轉(zhuǎn)換成其它形式的物理量，通過(guò)對(duì)其它物 理量的測(cè)量，從而計(jì)算出電容的容量?？梢赞D(zhuǎn)換為電壓值來(lái)測(cè)量，可以轉(zhuǎn)換成 脈沖寬度，可以用容抗值來(lái)測(cè)量，測(cè)量的方法有多種。 1. 方案一 微分法測(cè)電容 如果三角波輸入給以被測(cè)電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數(shù)選 擇適

10、當(dāng)?shù)臈l件下，微分電路的輸出幅度與 Cx成正比，再經(jīng)峰值檢測(cè)電路或精密 整流及濾波電路，可以得到與 Cx成正比的直流電壓 Ux ，然后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 送給數(shù)字顯示器，便可實(shí)現(xiàn)所要求的函數(shù)關(guān)系。 （電路如圖 2-1 所示） 設(shè)三角波函數(shù)式為 UI=K（0 1） (1-1) UI=K（2） （1-2) 因?yàn)?dt dUi Ci RiU xO 所以 （0 1） (1-3)CKRUO （電源線信號(hào)線。 (3)線間距。相鄰敷銅線之間的間距應(yīng)該滿足電氣安全要求,同時(shí)為了便于生 產(chǎn),間距應(yīng)該越寬越好。最小間距至少能夠承受所加電壓的峰值,一般要求 2000V 電位差之間的敷銅線距離應(yīng)該大于 2mm。在布線

11、密度低的情況下,間距應(yīng)該盡 可能的大。通常線間距最好不要低于 0. 3 mm。 (4)屏蔽與接地。敷銅線的公共地線應(yīng)該盡可能放在電路板的邊緣部分。在 電路板上應(yīng)該盡可能多地保留銅箔做地線,這樣可以使屏蔽能力增強(qiáng)。另外對(duì)數(shù) 字電路的 PCB 可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)環(huán)路或網(wǎng)格狀,即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用, 而模擬電路的地線則不能這樣使用。 4結(jié)論 PCB 板圖的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而又簡(jiǎn)單的過(guò)程。Protel 提供了一個(gè)良好的電 路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境,功能強(qiáng)大,方便實(shí)用。但是要設(shè)計(jì)出一塊優(yōu)良的 PCB 板,還需要 不斷地去學(xué)習(xí)和實(shí)踐。 5. PCB 版圖 1 2 3 4 8 7 6 5 1 43 2 5 4 32

12、 1 12 1 2 21 21 21 21 2 1 2 1 2 1 21 21 21 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 321 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5

13、 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 12 43 12 43 12 43 2 1 1 2 3 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 8 9 10 11 12 13 14 7 6 5 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 1234 8765 1 2 3 4 8 7 6 5

14、9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 910111213141516 87654321 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 19 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 910111213141516 87654321 910111213141516 87654321 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2121 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 21 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1

15、 圖 43 PCB 版圖 結(jié) 論 本次課題名為數(shù)顯電容測(cè)量?jī)x，此設(shè)計(jì)電容測(cè)量?jī)x分為三個(gè)檔次：第一檔 0pF99999pF，第二檔 0.001F99.999F，第三檔 0.1F9999.9F，測(cè) 量范圍較寬，適合測(cè)量各種容量的電容，使用 MC14017 分頻計(jì)數(shù)集成電路， 當(dāng)按鈕 AN 按下不同次數(shù)時(shí)，其相應(yīng)的管腳輸出高電平，實(shí)現(xiàn)量程間的不同 轉(zhuǎn)換。在測(cè)量小電容時(shí)有校正電路，加入了校正電容 ，可以使測(cè)量更加準(zhǔn)確 。 利用 MC14553 的分時(shí)控制原理可以使一只譯碼管顯示三位數(shù)字。采用七位 數(shù)碼顯示，五只數(shù)碼管顯示容量大小，兩只數(shù)碼管顯示單位，測(cè)量時(shí)更加直 觀方便。 電源采用 220V 交流供電

16、，經(jīng)變壓、整流、濾波得到 12V 直流電源。 設(shè)計(jì)結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 由于設(shè)計(jì)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較倉(cāng)促，加上專業(yè)水平有待提高，雖然本次設(shè) 計(jì)達(dá)到了任務(wù)書(shū)中的要求，但還存在一些不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以便 使設(shè)計(jì)出的電容表更精確。 附 錄 元件明細(xì)表 名稱電路圖數(shù) 量 規(guī)格來(lái)源備注 -、 1 R 24 R 43 R25470市售碳膜 1/8W - 25 R 27 R 31 R 29 R 510K市售碳膜 1/8W 、 28 R 35 R21M市售碳膜 1/8W 30 R14.7K市售碳膜 1/8W 32 R1910K市售金屬膜 1/8W， 誤差 0.5% 33 R1910市售碳膜 1/8W 誤

17、差 0.5% 34 R10.91市售金屬膜 1/8W， 電阻器 - 36 R 42 R710K市售金屬膜 1/8W， 誤差 0.5% 1 C10.001市售高頻瓷片 2 C151P市售高頻瓷片 3 C10-51P市售可調(diào)高頻瓷片 、 4 C 7 C20.01u市售高頻瓷片 、 5 C 6 C 8 C30.1u市售高頻瓷片 - 9 C 12 C40.1u 50v市售鉭電解電容 、 14 C 16 C20.1u 25v市售鉭電解電容 13 C14700u 25v市售電解電容 電容器 15 C110u 16v市售電解電容 二極管- 1 D 19 D19IN市售 21IC IC2MC14543市售用集成電路插座 3 IC 4 IC2MC14553市售用集成電路插座 5 IC1MC14060市售用集成電路插座 6 IC1MC14040市售用集成電路插座 7 IC 8 IC1NE555市售用集成電路插座 9 IC1HMC14017市售用集成電路插座 集成電 路 10 IC1MC14081市售用集成電路插座 11 I