利用Multisim设计电容测量电路

一、概述

随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。

目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于NE555的RC冲放电原理。用2片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度，在这个脉冲宽度内的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计算出待测电容的大小，并且达到精确度比较高（±10%）、测量数值较为稳定，量程可控制（0.2uF—20uF）的要求，而且所设计的电路比较简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。

本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等部分组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。

二、方案论证

本设计方案采用的是基于NE555的RC充放电原理的脉冲宽度测量法，本设计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是由2片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3片74LS160构成的计数器和2片74LS273构成的锁存器组成，显示电路由3片内部自带译码器的数码显示管（DCD_HEX）组成。

脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1所示，利用单稳态触发器在待测电容

C2上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度Tw，再将单稳

态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门，与门的输出信号中脉冲宽度Tw内的脉冲个数N通过3片十进制计数器计数后输入到2片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管，数码显示管所显示的数值就是脉冲个数N。由于初始相位不定和传输的时间差等原因，第一个显示的数字并不是准确的脉冲个数N，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。

由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此，外界的温度也会对模拟元器件产生很大的影响，而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采

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用本方案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响，从而提高测量准确度，适用于大多数环境。

图1 系统功能框图

本设计由于是采用计数器直接计数，经锁存器锁存后输入数码管进行显示，省去了信号直接的转换，使相对误差减小。

三、电路设计

电路设计包括了两大部分，总电路图见附录I。考虑到实际生活中的需要，因此设计了能将日常生活用电转换成5V的直流电，转换电路图如图2。

U13 LM7805KC404238LINEVREG VOLTAGE43T12D5 COMMONV1220 Vpk C5 C64150 Hz 100uF 100uF 0° NLT_PQ_4_1041 31B4B4239 0

图2 5V直流电流源

这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后，输出的电压为稳定的5V直流电，将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。

第二大部分又分为三个小部分，分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以及显示电路部分。

首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器组，上面的555定时器为单稳态触发器，下面的为多谐振荡器。多谐振荡器3端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2端的输入信号。图中C2为待测电容，接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉

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冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数。

图3 测量电路

0.2uF VCC5VR1VCC4RST8VCCU1OUT3连接锁存1.94kΩ 器的CLK端 7DISNOT362THRTRICONGND1U4C21uF 15C11uF 80LM555CN连接计数器清零端U3A74AS08N连接计数器的CLK输入端R2300 Ω 44762RSTDISTHRTRICON8VCCU2OUT37R330kΩ 525C4C310nF 6GND1LM555CN单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽Tw计算公式如下：

Tw?R1C2ln3

当R值固定时，Tw与C2的大小成正比。C2越大，在Tw时间内通过与门的脉冲数N就越多，数码管所显示的数字就越大。

多谐振荡器的振荡周期T的计算公式如下：

T?(R2?2R3)C4ln2

考虑到设计要求中量程为0.2uF—20uF,令C4为0.2uF。单稳态触发器3端输出信号和多谐振荡器输出信号经过与门后的信号满足：

R1C2ln3?N(R2?2R3)C4ln2

经过整理得：

C2?N(R2?2R3)C4ln2/R1ln3

适当的选取R1、R2和R3的值，使(R2?2R3)C4ln2/ln3?1，则数码管所显示的数值N为C2与C4的比值。这样我们就可以直接计算出C2的大小了。例如，当

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待测电容C2为1uF时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。

图4 待测电容为1uF时各输出信号波形

上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器输出信号、与门输出信号。

其次是计数锁存电路部分，本部分电路图如图5所示。

11接电源接非门输出端接单稳态输出端接与门输出端1413121115QAQBQCQDRCOCLK~CLR接数码管14151613171812接数码管252627281916151296528Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q191615129652U38Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1QCLK~CLR11174LS273N8D7D6D5D4D3D2D1D1111817141387431817141387438D7D6D5D4D3D2D1DU774LS273N31232435167815192021221413121114131211QAQBQCQDQAQBQCQDRCO~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLR9174LS160NENPENTABCD710U1CLK74LS160NENPENTABCD710U2CLKRCO1574LS160N710ENPENTABCDU6CLK234569123456912309242910图5 计数锁存电路

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3456 计数器74LS160N是一个同步十进制加法计数器，上升沿有效。其管脚图如图6所示。

1413121115710345691图6 74LS160N管脚图

其中A、B、C、D端接地，QA—QD为输出端连接锁存器的输入端，RCO为进位输出端，ENP、ENT为计数控制端，LOAD为同步并行置入端，CLR为异步清零端，CLK为时钟信号输入端。其功能真值表如表1所示，计数器的状态转换表如表2所示。

表1 74LS160功能真值表

CLK × ↑ × × ↑ 计数顺序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CLR 0 1 1 1 1 LOAD × 0 1 1 1 ENP × × 0 × 1 274LS160NU1RCO~LOAD~CLRQAQBQCQDENPENTABCDCLKENT × × 1 0 1 等效十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 工作状态 清零 预置数 保持 保持 计数 进位输出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 表2 74LS160状态转换表 电 路 状 态 QA QB QC QD 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 …… 此处隐藏：2021字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……