简易电容测量仪
电容是电子线路中最常用的元器件之一，对电容值的测量一般采用利用振荡电路将电容值转换为频率值，再通过频率计数器测量，或利用PWM（脉冲宽度调制）电路将电容值转换为模拟电压值，再通过电压表测量的方法进行。

本题要求利用以上所述两种原理中的一种，设计一个简易电容测量仪。

1．实验目的
理解电容的测量原理；掌握利用555集成电路设计振荡器的方法；掌握555单稳态电路的设计方法和应用；理解PWM信号的概念和意义；掌握利用PWM信号发生电路产生模拟直流电压信号的原理和方法；掌握数字电压表或数字频率计的工作原理和设计制作方法。

2．设计要求及技术指标
基本部分：
(1)系统采用+9V单电源供电；
(2)电容测试范围：33～470nF，测量误差≤15%。

（测试时分别对33nF、47nF、100nF、
220nF、330nF、470nF等6种电容进行测试）；
(3)测试结果通过数字电压表（数字万用表直流电压测量档）或自制的数字频率计显示。

采用数字电压表显示时要求电压表示数数值（单位V）为电容值（单位nF）的百分
之一。

例如，470nF显示为4.70V，33nF显示为0.33V或330mV；采用自制数字频
率计显示时示数直接代表电容值（单位：nF）。

要求示数比较稳定，不乱跳。

(4)在电路板靠边的显著位置焊出被测电容插座和万用表测试孔，用来插被测电容和连
接万用表。

电路板焊好后应在每个测试孔的相应位置做出标记。

发挥部分：
(1)自制数字电压表，用以代替数字万用表显示被测电容值。

要求所显示数值直接表示
被测电容的容值（单位：nF）；
(2)增加电容测试范围至：1nF～10μF，可手动切换量程；
(3)在发挥（2）中要求基础上增加自动量程切换功能；
(4)提高测量精度，测量误差≤10%；
3．设计任务
(1)设计，安装、调试所设计的电路；
(2)画出完整电路图，详细说明电路原理，写出设计总结报告。

4．工作原理及设计思路参考
555时基电路是一种用途非常广泛的数字-模拟混合集成电路。

555时基电路内部结构简单，使用非常灵活，可以组成产生各种波形的脉冲振荡器、定时延时电路、双稳态电路、检测电路、电源变换电路、频率变换电路等。

具有工作电压范围宽、输出驱动能力强、应用范围广等特点，已被广泛应用于自动控制、测量、通信等各种领域。

555时基电路常用有单稳态、双稳态和无稳态等三种电路形式。

其中单稳态和双稳态电路常用于定时，无稳态电路则多用于多谐振荡器。

单稳态电路工作原理见《数字电子技术（第二版）》（侯建军主编，高等教育出版社出版）第八章第四节第三部分（P.396～398）。

可知，
在一定频率和占空比的输入脉冲信号的激励下，该电路输出信号的脉冲宽度t w与电容C成线性关系（t w≈1.1RC），与输入信号脉宽及电源电压无关。

利用该原理可将电容C的大小转换为输出脉冲信号的脉冲宽度，如图1所示。

图1 555单稳态电路示意图
对一个周期脉冲信号来说，其脉冲的宽度和电压幅度决定了该信号的直流分量电压。

可以证明，其信号的直流分量与脉冲的宽度（占空比）之间具有线性关系。

通过一个截止频率很低的低通滤波电路对该信号进行低通滤波，滤除信号的交流成分而只保留其中的直流成分，就可以将该周期脉冲信号的脉冲宽度转换为一个直流信号的电压。

将上述555单稳态电路和低通滤波电路连接在一起，就可以将555单稳态电路中电容C 的大小转换为低通滤波器输出直流信号电压的大小，从而可以实现对电容的测量，其系统结构如图2所示。

电路中应特别注意激励脉冲信号频率和占空比的选择，应根据被测电容的大
小和电容-脉宽转换电路的参数进行合理计算，才能保证测量电路正常工作。

图2 简易电容测试仪系统结构
5．主要参考元器件
NE555、LM324、ICL7107、LED数码管、电阻、电容等。

6．思考题
(1)采用电容-振荡频率-数字频率计原理和电容-脉冲宽度-直流电压-数字电压表这两
种原理测量电容，哪种测量精度更高？为什么？
(2)查阅资料，一般带有电容测量功能的数字万用表中采用何种原理测量电容？
(3)查一查有哪些可以测量电容的仪器？哪种仪器测量精度最高？
(4)图2中激励脉冲信号的频率和占空比应如何选择？如果选得过高或过低会有什么
后果？
(5)什么是PWM信号？有何应用？。