基于測脈寬法數(shù)字電容測量儀

【摘 要】該測量儀由測試電路和顯示電路兩部分組成，采用測脈寬法。設計的電容測量儀的測量范圍是10uF～990Uf，顯示的數(shù)值N是00～99，數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量CX的函數(shù)關系是 當被測電容值超出量程時數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二極管發(fā)光。

【關鍵詞】數(shù)顯 二極管發(fā)光報警 電容測量儀 555定時器 多諧振蕩器 測脈寬法 閘門信號

一、引言

電容具有隔直流同交流的能力，在電子電路中是十分重要的元件，電容的容值在使用一段時間之后將會產(chǎn)生偏差，為了能得到正確電容值，在使用時往往要測量其電容值。傳統(tǒng)的測量方法都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數(shù)，此方法不夠直觀。該電容測量儀相對比較直觀，且誤差較小，將在電容測量方面顯示出它讀數(shù)方便，精確的優(yōu)越性。

二、數(shù)字電容測量儀組成

（一）元器件例化

（1）555

555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V～16V工作，7555 可在3～18V工作，輸出驅動電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。

（2）74LS160

74LS160是同步四位十進制加法計數(shù)器。74LS160的清零端/MR是異步的，當清零端/MR為低電平是，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，都可完成清零功能。74LS160計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上實現(xiàn)。

（3）74LS273

74LS273是數(shù)據(jù)/地址鎖存器觸發(fā)器，能同時鎖住8位數(shù)，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 CPU 的ALE信號必須經(jīng)過反相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK 端相連。

（4）74LS48

74LS48是BCD七段字型譯碼，具有滅零輸入端的功能。輸出端（Ya-Yg）為高電平有效，可驅動燈緩沖器或共陰極 VLED。

（5）7SEG

7SEG是共陰極數(shù)碼管顯示器

（6）74LS74

置位輸入SD和復位輸入RD接至基本RS觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預置和清零端。當SD=0且RD=1時，不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使輸出端Q=1，Q=0，即觸發(fā)器置1；當SD=1且RD=0時，觸發(fā)器的狀態(tài)為0，SD和RD通常又稱為直接置1和置0端。我們設它們均已加入了高電平，不影響電路的工作。

（二）模塊組成

（1）時鐘脈沖發(fā)生電路

時鐘脈沖發(fā)生電路為由555定時器構成的多諧振蕩器。此電路中用來產(chǎn)生時鐘脈沖信號。電源接通后，VCC通過電阻R1、R2向電容充電，當 =2/3VCC時，因為2端與6端相連，則有=V6，使比較器C1輸出翻轉，輸出電壓V0=0。同時，放電管T導通，電容C通過R2放電；當電容電壓下降至1/3VCC時，比較器C2工作，輸出電壓V0變成高電平，C放電終止，VCC通過電阻R1，R2又開始充電；周而復始，形成振蕩。其振蕩周期與電容充放電時間有關，充電時間為：，放電時間為，則時鐘信號一個周期為。

（2）閘門信號產(chǎn)生電路

閘門信號產(chǎn)生電路為由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。TR端作為觸發(fā)信號的輸入端，由時鐘脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的時鐘脈沖信號來提供。它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。在外界脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回到穩(wěn)態(tài)。這段時間稱為暫穩(wěn)態(tài)時間取決于外界R、C的值。即：。U2產(chǎn)生的信號用來作為門控信號。

（3）計數(shù)脈沖產(chǎn)生電路

根據(jù)計數(shù)原理列出參數(shù)關系：2 =，化簡得。調節(jié)、、的值使其滿足關系。把由時鐘脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的時鐘脈沖信號與閘門信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的門控信號相與，就能得到與成正比的計數(shù)脈沖。

（4）計數(shù)電路

計數(shù)電路由兩片74LS160計數(shù)器和74LS273鎖存器構成，兩片計數(shù)器通過置數(shù)法將兩片計數(shù)器連接成百進制計數(shù)器，計數(shù)范圍為0到99。兩片計數(shù)器的MR端和LOAD端均接測量電路的單穩(wěn)態(tài)輸出端，保證計數(shù)器在有效技術范圍內計數(shù)。當超出計數(shù)范圍時，Q3和Q1為1通過74LS08與門輸入到下一級電路。計數(shù)電路中的鎖存功能由鎖存器74LS273完成。時鐘信號由測量電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端經(jīng)過反相得到，使其在計數(shù)結束時進行鎖存。

三、設計思路

本設計選擇了測脈寬法，用閘門信號來控制時鐘信號產(chǎn)生的CP脈沖個數(shù)，使其來反映被測電容Cx的數(shù)值。當電容的取值在10uF～990Uf時，LED用來顯示后兩位，均用十進制數(shù)表示，顯示的數(shù)值N是00～99中的一值，數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量的函數(shù)關系是 N=/（10μF）。當被測電容值超出量程時數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二極管發(fā)光。

（一）設計流程圖

該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。

四、功能特點

1、能測量10μF-990μF范圍內的電容量。

2、若被測電容超過990uF，則數(shù)碼管呈全暗狀態(tài)，發(fā)光二極管呈亮狀態(tài)，表示超量程。

3、該電容測量儀相對直觀，誤差較小，在電容測量方面顯示出它讀數(shù)方便，精確的優(yōu)越性。

五、結束語

該電容測量儀觀察直觀，誤差小，制作方便，價格便宜，適合學生使用，當被測電容接入電路后，在兩秒內即可顯示相應數(shù)值。在實驗室使用起來方便，功耗低，方便學生動手實踐，加深對電容的測量。

參考文獻：

[1]康光華.電子技術基礎（模擬部分）（M）. 北京：高等教育出版社，1998.

[2]胡輝.原理與應用（M）.北京：中國水利水電出版社，2007.