电子技术课程设计——简易电容测量仪简易电容测量仪?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电容测量仪， 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。 时基电路内部结构简 555 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，1电子技术课程设计——简易电容测量仪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 tw 与电容 C 成 ，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 线性关系（tw≈1.1RC） 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。被测电容 Cx电容-脉宽 变换后的 PWM 信号 直流 电压 信号激励脉冲 信号发生 电路脉冲 测试 信号电容-脉宽 转换电路低通滤波及线 性变换电路+ 数字 - 电压表DC +9V电源图 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电子技术课程设计——简易电容测量仪(2) 查阅资料电容测量仪，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？3
文章由启和科技编辑
