摘要:現(xiàn)實生活中，很多時候都是沒有儀表的情況下要測量電容容量。這里提供一種使用單獨的測量電容的數(shù)字電容計。設(shè)計的目的是應(yīng)用數(shù)字電路課程的理論知識獨立完成一個設(shè)計課題，通過對實際電路方案的分析比較、設(shè)計計算、元件選取、安裝調(diào)試環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。 在設(shè)計過程中，我們對這次的設(shè)計任務(wù)和要求是：1．實現(xiàn)電容容量的基本測量功能；2．實現(xiàn)電容容量的數(shù)字顯示；3．實現(xiàn)分檔測量功能，能測量較大范圍內(nèi)的電容容量；4．精度要求。這樣一來，我們的電容計不僅能實現(xiàn)產(chǎn)量的功能而且可以非常方便的讀取測量結(jié)果。 [b]一、方案選擇 [/b] 對于一個容量不變的電容只要外部的充電電路參數(shù)被確定下來，則充放電的時間就被唯一確定下來，在這里我們可以應(yīng)用電容的充電時間來控制計數(shù)器計數(shù)。既將電容的充電時間作為門控信號，將基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器提供的基準(zhǔn)脈沖的寬度作為測量的模，在本電路中用脈寬TS=10Os（100KH）代表電容lpF的電容量。在被測電容充電時間內(nèi)，被測電容開始充電時將閘門打開，充電結(jié)束時將閘門關(guān)閉。在閘門開放時間內(nèi)，計數(shù)器所計得的基本脈沖數(shù)乘以模，即為電容的容量。 如果改變充放電時間的數(shù)量級就可以改變測量電容的量程。 閘門控制器可以用電容，電阻構(gòu)成充放電路，將充電波形用555構(gòu)成的整形電路進行整形，將整形后的信號用于控制基準(zhǔn)脈沖為計數(shù)器提供計數(shù)脈沖的時間。基準(zhǔn)信號可由555集成電路構(gòu)成，計數(shù)器可用十進制加法計數(shù)器構(gòu)成，然后將計數(shù)器的輸出通過譯碼電路顯示出來。從上面分析可見用該方法測量電容是合理的，而且在精度的要求上也是能滿足一般的業(yè)余測量的，所以我們選擇該方案作為設(shè)計方案。 二、設(shè)計步驟 1．初步設(shè)計的提出 　　從前面的分析可以總結(jié)出我們設(shè)計原理應(yīng)該由基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器、閘門控制電路、計數(shù)器、譯碼器、充放電電路、顯示器等六部分組成。 （1）充放電電路 　　對于該設(shè)計來說電容測量結(jié)果是否準(zhǔn)確，充放點電路起著很大的作用，所以我們先對電容的充電電路進行設(shè)計，選用最簡單的電路。但是對于該電路的輸出沒有良好的邊緣，不能將電容的充電時間準(zhǔn)確地表達(dá)出來，不能準(zhǔn)確地控制閘門電路，所以考慮用整形電路，在這里我們選用555集成電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路進行整形。整形后，信號從555集成電路的out腳輸出，在EWB上我們進行了仿真，觀察到波形有了明顯的改善。 （2）基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路 　　基準(zhǔn)脈沖是用來做為計數(shù)器的CP用，所以一般的多諧振蕩器和整形電路就可以完成，由于我們選用比較高的頻率（1o0KHz）做計數(shù)頻率，為了使頻率比較穩(wěn)定我們選用石英晶體來構(gòu)成振蕩器。 　　從仿真的波形來看，該基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖波并不怎么接近理想的方波，但是在這里用于計數(shù)器的CP是完全可以的。 （3）計數(shù)器電路 　　為了滿足量程和精度要求，我們需要四位輸出，我們選擇用4片十進制計數(shù)器74LS160做成計數(shù)器，在設(shè)計過程中為保證計數(shù)的準(zhǔn)確，160計數(shù)器就不能從一開始就計數(shù)，應(yīng)該在剛開始時給一個異步置0，所以在CD端要加啟動控制信號。 　　在設(shè)計過程中一開始我們沒有加入電路中的3個非門，但是發(fā)現(xiàn)在低位片是9時就發(fā)生了進位，為了消除這個誤差我們將3個非門加到進位信號上產(chǎn)生延遲，這樣就不會發(fā)生顯示錯誤了。 （4）閘門控制電路 　　根據(jù)理論，整形后的波形是一個有一次正跳變的信號，我們將這個信號取反，這時電容充電時，輸出保持為l，充電完畢后保持為0，將該信號與基本脈沖相與，得到的信號再去控制計數(shù)器計數(shù)。 （5）譯碼器和顯示器 　　為了制作方便和可操作，我們選用4片CH283L寄存——譯碼——數(shù)字顯示器，這樣譯碼和顯示都由同一器件完成。 2．設(shè)計與計算 　　從上面的分析可見電路的組成還要變?yōu)榛鶞?zhǔn)脈沖發(fā)生108器、啟動控制、閘門控制電路、計數(shù)器、譯碼器、整形電路、顯示器、充放電電路等七部分組成。 （1）啟動控制電路 　　為了將計數(shù)和閘門控制信號同步設(shè)計該啟動控制電路，既在啟動電路要給出一個負(fù)脈沖控制計數(shù)器異步置零，同時開啟啟動單穩(wěn)，所以啟動控制電路用低頻振蕩器形成，頻率為：f=1．443／（R2+2R。）C．≈O．15KH。接通電源后電路起振，第一個脈沖使計數(shù)器清零，同時經(jīng)過C，將單穩(wěn)觸發(fā)器啟動。 （2）門控電路 　　這里我們把電容充放電電路和整形電路合為門控電路。門控電路～和它的充電電路電阻作為主要元件與555時基電路共同組成脈沖啟動型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的單穩(wěn)時間td=1．1RC，被測電容c與充電電阻R決定著門控電路的控制時間，決定脈沖計數(shù)器對基準(zhǔn)脈沖計數(shù)的多少。由于每個脈沖代表1PF的電容量，所以測得脈沖數(shù)越多，被測電容的容量就越大。為了使被測電容的時間常數(shù)RC在C=1PF時與測量的模（1Oos）相等，需要對電阻進行計算：R==9．1MtQ式中c為lPF。 （3）其它電路 　　除了上面兩個功能電路外，其他的功能電路在前面已經(jīng)完成，主要有：控制閘門電路，基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路，脈沖計數(shù)電路，顯示電路。 （4）數(shù)字電容計電路 　　通過上面對數(shù)字電容計的各功能電路進行設(shè)計后，現(xiàn)在將各功能電路組合起來就可得到總的電原理圖。本次設(shè)計在理論上，肯定存在不足與錯漏，懇請各位踴躍批評指正。 參考文獻(xiàn)： [1]賈秀美．?dāng)?shù)字電路實踐技術(shù)[M]沖國科學(xué)技術(shù)出版社，2000． [2]肖景和．?dāng)?shù)字集成電路應(yīng)用精粹[M]．人民郵電出版社，2002． [3]王毓銀．?dāng)?shù)字電路邏輯設(shè)計[M]．高等教育出版社，2002． [4]繩廣基．實用數(shù)字邏輯電路100例[1vf]．上海交通大學(xué)出版社，1991． [5]中國計量出版社組編．通用數(shù)字電路[M]．中國計量出版社，2001． 點擊下載：談數(shù)字電容計的設(shè)計