数字式电容测量仪的设计
一、总体方案的选择
数字式电容测量仪的设计可以有占空比可调的方波发生器产生基准方波信号，频率为10KHz，再通过555定时器构成单稳态电路。
通过计数器计数显示电路显示当前电容容量。
所设计的电容测量范围（1uF~999uF）。
误差2%左右。
1.拟定系统方案框图
（1）方案一：纯硬件电路
图1纯硬件构成系统框图
（2）方案二：运用单片机程序编程设计电路
图2含单片机程序设计电路
2．方案的分析和比较
基于方案一较方案2只用到简单硬件，不需要编程，且大部分设计知识已经掌握，所需的有设计到出图的时间比较少。
所以选择方案一，简单，易行，节省时间。
二、单元电路的设计
1.时基电路
时基电路是由占空比可调的555定时器构成的多谐振荡器，其基本工作原理如下：由于电路中二极管D1，D2的单向导电性，使电容器的充放电分开，改变电阻大小，就可调节多谐振荡器的占空比。
图中Vcc通过R4、D2向电容C3充电，充电时间为
t
ph
0.7R
4
C3 式（1）方
波
发
生
电
路与
门
电
路
计
数
电
路
译
码
显
示
电
路
单
稳
态
电
路
电容器
C3通过D1，R5及555中的三极管T 放电，放电时间为
t pl ≈0.7R 5C 式（2）
因而，振荡频率为
3
)54(43
.11C R R t t f pl ph
+≈+=
式（3） 电路输出的占空比为
%1005
44
(%)⨯+=
R R R q 式（4）
VCC
5V
A2
555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST VCC
THR CON
TRI R43.2kΩ
R510kΩ
D11BH62
D21BH62
C30.01µF
C4
0.01µF
图3占空比可调的方波发生器
图4方波发生器的工作波形
本次试验需要产生8.9KHz 的频率，通过公式计算R4=3.2K Ω,R5=10K Ω,C3=0.01uf 此时f=10.8KHz,通过模拟产生的基准频率为8.9KHz,满足误差要求。
用555定时器构成的单稳态触发器如图5所示。
VCC
5V
VCC
A1
555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI
C1
0.01µF
C2
39µF
J2
Key = A
R2
10kΩ
R3
100Ω
图5单稳态触发器
若没有触发信号这该电路电路通电后只有一种稳定状态out=0。
若触发输入端施加触发信号(TRI<Vcc/3),电路的输出状态由低电平跳变到高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。
此后电容C2充电，当C2充电至Vc=2Vcc/3时，电路的输出电压由高电平翻转为低电平，电路回到稳定状态。
脉宽tw为
2
3
1.1C
R
t
w
式（5）单稳态电路的工作波形如图6所示。
图6工作波形
3.闸门电路
将方波发生电路，单稳态电路通过与门构成定时电路。
如图7所示。
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
U16A
74F08D
A1
555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI
C1
0.01µF
C2
39µF
J2
Key = A
R2
10kΩ
A2
555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI
R4
3.2kΩ
R5
10kΩ
D1
1BH62
D2
1BH62
C3
0.01µF
C4
0.01µF
R3
100Ω
图7闸门电路
闸门电路的波形如图8所示。
图8工作波形
3.计数电路
计数电路用74LS192，它是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有请出和置数等功能。
由三个74LS192可构成100进制计数器。
如图9所示。
VCC 5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
VCC U11
74LS192D A 15B 1C 10D
9
UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN
4
~LOAD 11~BO 13~CO
12
CLR 14U30
74LS192D
A 15
B 1
C 10D
9
UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN
4
~LOAD 11~BO 13~CO
12
CLR 14U31
74LS192D
A 15
B 1
C 10D
9
UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN
4
~LOAD 11~BO 13~CO
12
CLR 14J3
Key = Space
J4
Key = Space
J1
Key = Space
图9计数电路图
4.译码显示电路
译码显示电路是由74LS48D 驱动七段显示电路，显示电路选择共阴极电路，因为74LS48D 输出为低电平。
如图10所示。
U10
74LS48D
A 7
B 1
C 2
D 6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14
~L T 3~R B I 5~B I /R B O
4
U12
74LS48D A 7B 1C 2D 6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14
~L T 3~R B I 5~B I /R B O
4
U22
74LS48D A 7B 1C 2D 6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14
~L T 3~R B I 5~B I /R B O
4
U13
A B C D E F G
CK U14
A B C D E F G
CK U15
A B C D E F G
CK
图10译码显示电路
三、总电路图
图11总电路图
四、仿真与调试
（1）C2为测试电容，现取一个C2为10uF，经过仿真得出的结果如图12所示。
图12仿真结果图
（2）取C2为57uF，经过仿真得出的结果如图13所示。
图13仿真结果图
（3）取C2为129uF，经过仿真得出的结果如图14所示。
图14仿真结果图
（4）取C2为387uF，经过仿真得出的结果如图15所示。
图15仿真结果图
五、小结
本次课程设计先后经历了上网查询资料，到自己翻书设计。
从不了解测量电容容量的原理，到理解原理。
从模仿网上设计图，到自行设计，发觉自己的设计更简单，简洁，易行，优于网上找到的一些资料。
在使用软件(MULTISIM)仿真过程中，掌握了一些片子的模拟仿真接法，曾经一度为了一个十进制计数器不能正常显示而心灰意冷，后来发现自己的七段数字显示器选错了，错选了共阳极数字显示器，应该选择共阴极数码显示器，因为74LS48D的输出时低电平。
在实际接线的过程中发现了模拟与实践的差别，在实际做的过程中会受到这样那样的制约，管脚接法和模拟就有差别。
综上，本次课程设计有很大的收获，培养了自己动手查找问题，分析问题，解决问
题的能力。
同时本次课程设计能顺利完成要感谢老师的教导，周围同学的帮助。