電子技術(shù)課程設(shè)計——簡易電容測量儀簡易電容測量儀?電容是電子線路中最常用的元器件之一， 對電容值的測量一般采用利用振蕩電路將電容 值轉(zhuǎn)換為頻率值，再通過頻率計數(shù)器測量，或利用 PWM（脈沖寬度調(diào)制）電路將電容值轉(zhuǎn)換 為模擬電壓值，再通過電壓表測量的方法進行。本題要求利用以上所述兩種原理中的一種電容測量儀， 設(shè)計一個簡易電容測量儀。 1．實驗?zāi)康?理解電容的測量原理； 掌握利用 555 集成電路設(shè)計振蕩器的方法； 掌握 555 單穩(wěn)態(tài)電路 的設(shè)計方法和應(yīng)用；理解 PWM 信號的概念和意義；掌握利用 PWM 信號發(fā)生電路產(chǎn)生模擬 直流電壓信號的原理和方法；掌握數(shù)字電壓表或數(shù)字頻率計的工作原理和設(shè)計制作方法。 2．設(shè)計要求及技術(shù)指標(biāo) 基本部分： (1) 系統(tǒng)采用+9V 單電源供電； (2) 電容測試范圍：33～470nF，測量誤差≤15%。 （測試時分別對 33nF、47nF、100nF、 220nF、330nF、470nF 等 6 種電容進行測試） ； (3) 測試結(jié)果通過數(shù)字電壓表 （數(shù)字萬用表直流電壓測量檔） 或自制的數(shù)字頻率計顯示。 采用數(shù)字電壓表顯示時要求電壓表示數(shù)數(shù)值（單位 V）為電容值（單位 nF）的百分 之一。

例如，470nF 顯示為 4.70V，33nF 顯示為 0.33V 或 330mV；采用自制數(shù)字頻 率計顯示時示數(shù)直接代表電容值（單位：nF） 。要求示數(shù)比較穩(wěn)定，不亂跳。 (4) 在電路板靠邊的顯著位置焊出被測電容插座和萬用表測試孔， 用來插被測電容和連 接萬用表。電路板焊好后應(yīng)在每個測試孔的相應(yīng)位置做出標(biāo)記。 發(fā)揮部分： (1) 自制數(shù)字電壓表， 用以代替數(shù)字萬用表顯示被測電容值。 要求所顯示數(shù)值直接表示 被測電容的容值（單位：nF） ； (2) 增加電容測試范圍至：1nF～10μF，可手動切換量程； (3) 在發(fā)揮（2）中要求基礎(chǔ)上增加自動量程切換功能； (4) 提高測量精度，測量誤差≤10%； 3．設(shè)計任務(wù) (1) 設(shè)計，安裝、調(diào)試所設(shè)計的電路； (2) 畫出完整電路圖，詳細(xì)說明電路原理，寫出設(shè)計總結(jié)報告。 4．工作原理及設(shè)計思路參考 555 時基電路是一種用途非常廣泛的數(shù)字-模擬混合集成電路。 時基電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡 555 單，使用非常靈活，可以組成產(chǎn)生各種波形的脈沖振蕩器、定時延時電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、檢 測電路、電源變換電路、頻率變換電路等。具有工作電壓范圍寬、輸出驅(qū)動能力強、應(yīng)用范 圍廣等特點，已被廣泛應(yīng)用于自動控制、測量、通信等各種領(lǐng)域。

555 時基電路常用有單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)和無穩(wěn)態(tài)等三種電路形式。其中單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)電 路常用于定時， 無穩(wěn)態(tài)電路則多用于多諧振蕩器。 單穩(wěn)態(tài)電路工作原理見 《數(shù)字電子技術(shù) （第 二版）（侯建軍主編，高等教育出版社出版）第八章第四節(jié)第三部分（P.396～398） 》 ?？芍?電子技術(shù)課程設(shè)計——簡易電容測量儀在一定頻率和占空比的輸入脈沖信號的激勵下，該電路輸出信號的脈沖寬度 tw 與電容 C 成 ，與輸入信號脈寬及電源電壓無關(guān)。利用該原理可將電容 C 的大小轉(zhuǎn) 線性關(guān)系（tw≈1.1RC） 換為輸出脈沖信號的脈沖寬度，如圖 1 所示。圖 1 555 單穩(wěn)態(tài)電路示意圖 對一個周期脈沖信號來說， 其脈沖的寬度和電壓幅度決定了該信號的直流分量電壓。 可 以證明，其信號的直流分量與脈沖的寬度（占空比）之間具有線性關(guān)系。通過一個截止頻率 很低的低通濾波電路對該信號進行低通濾波， 濾除信號的交流成分而只保留其中的直流成分， 就可以將該周期脈沖信號的脈沖寬度轉(zhuǎn)換為一個直流信號的電壓。 將上述 555 單穩(wěn)態(tài)電路和低通濾波電路連接在一起，就可以將 555 單穩(wěn)態(tài)電路中電容 C 的大小轉(zhuǎn)換為低通濾波器輸出直流信號電壓的大小， 從而可以實現(xiàn)對電容的測量， 其系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)如圖 2 所示。

電路中應(yīng)特別注意激勵脈沖信號頻率和占空比的選擇， 應(yīng)根據(jù)被測電容的大 小和電容-脈寬轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)進行合理計算，才能保證測量電路正常工作。被測電容 Cx電容-脈寬 變換后的 PWM 信號 直流 電壓 信號激勵脈沖 信號發(fā)生 電路脈沖 測試 信號電容-脈寬 轉(zhuǎn)換電路低通濾波及線 性變換電路+ 數(shù)字 - 電壓表DC +9V電源圖 2 簡易電容測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5．主要參考元器件 NE555、LM324、ICL7107、LED 數(shù)碼管、電阻、電容等。 6．思考題 (1) 采用電容-振蕩頻率-數(shù)字頻率計原理和電容-脈沖寬度-直流電壓-數(shù)字電壓表這兩 種原理測量電容，哪種測量精度更高？為什么？2電子技術(shù)課程設(shè)計——簡易電容測量儀(2) 查閱資料電容測量儀，一般帶有電容測量功能的數(shù)字萬用表中采用何種原理測量電容？ (3) 查一查有哪些可以測量電容的儀器？哪種儀器測量精度最高？ (4) 圖 2 中激勵脈沖信號的頻率和占空比應(yīng)如何選擇？如果選得過高或過低會有什么 后果？ (5) 什么是 PWM 信號？有何應(yīng)用？3

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