利用Multisim设计电容测量电路

1一、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2C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2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。图25V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2C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V1220Vpk50Hz0°C5100uFU13LM7805KCLINEVREGCOMMONVOLTAGEC6100uFD51B4B421243T1NLT_PQ_4_1004241403938433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测量电路单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽Tw计算公式如下：12ln3TwRC当R值固定时，Tw与2C的大小成正比。2C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：234(2ln)2TRRC考虑到设计要求中量程为0.2uF—20uF,令4C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：12324(2lnn32l)RCRCNR经过整理得：22341)(2ln2/ln3CRCNRR适当的选取1R、2R和3R的值，使234(2ln2/)ln31CRR，则数码管所显示的数值N为2C与4C的比值。这样我们就可以直接计算出2C的大小了。例如，当R11.94kΩC11uFC21uFR2300ΩR330kΩC310nFC40.2uFU2LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2U1LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5V5643210VCCU4NOTU3A74AS08N7连接锁存器的CLK端8连接计数器的CLK输入端连接计数器清零端4待测电容2C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。图5计数锁存电路U174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U374LS273N1D32D43D74D85D136D147D178D18~CLR1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U674LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U774LS273N1D32D43D74D85D136D147D178D18~CLR1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19242221201998765432130接电源接非门输出端接与门输出端接单稳态输出端29312310111213141516171825262728接数码管接数码管5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。图674LS160N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174LS160功能真值表CLKCLRLOADENPENT工作状态×0×××清零↑10××预置数×1101保持×11×0保持↑1111计数表274LS160状态转换表计数顺序电路状态等效十进制数进位输出QAQBQCQD000000010001102001020300113040100405010150601106070111708100080910019010101001多谐振荡器和单稳态触发器产生的信号经过与门后，作为计数器的时钟信号，而单稳态触发器的输出信号作为计数器的清零信号。计数控制端都接高位，由图4可知单稳态触发器输出信号处于高电平，计数器开始计数。经过一个脉冲宽度后清零端输入为低电平，计数器清零。当单稳态触发器输出信号重新为高电平时，计数器又从0开始计数，以此一直循环。因此计数器输出的数值为一个固U174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK26定的值。本设计方案中，由于量程为0.2uF—20uF,因此要计数的数值将达上百，因此用3片74LS160N连成计数可以从0到999的电路。将第一片的进位输出端连接到第二片的计数控制端，而第二片的进位输出端连接到第三片的计数控制端以达到设计要求。锁存器74LS273是一个8位数据/地址锁存器，其是一种带清除功能的8D触发器，管脚图如图7所示。图774LS273N管脚图功能表如表3所示。表374LS237功能表输入输出CLRCLKDQ0××01↑111↑0010×保持前态其中D1—D8为输入端，连接计数器；Q1—Q8为输出端，连接数码管；CLR为主清除端，低电平触发，即当输入为低电平是，芯片被清除，输出全为0；CLK为锁存控制端，上升沿触发，即当CLK输入信号从低电平到高电平时，数据通过芯片，当输入信号为低电平时，数据将被锁存，不论输入端D1—D8数据如何改变，输出端Q1—Q8数据不变，从而达到锁存功能。因此CLR接高电平，使锁存器一直处于工作状态，单稳态触发器的输出信号通过非门后的输出信号作为锁存器的锁存信号，其目的是在计数器在一个脉冲宽度时间内计数后，清零之前将数据进行锁存，以此达到显示的数字呈稳定状态。最后的显示电路由3片自带译码器的数码显示管组成，其管脚图如图8所示。图8数码显示管用3片数码显示管分别显示个位、十位和百位的数值。数码管显示的数值是U174LS273N1D32D43D74D85D136D147D178D18~CLR1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U1DCD_HEX7经过计数器的计数，锁存器锁存后的数值。由于单稳态触发器输出信号的脉冲宽度固定且多谐振荡器输出信号的频率不变，因锁存器锁存的数一直为固定值，固数码显示管显示的数不变。四、性能测试首先是对5V电流源电路进行测试，测试电路如图9所示，仿真数据如图10所示，其测试数据如表4所示。图9电源测试电路图105V电压源输出波形图V1220Vpk50Hz0°C2100uFU1LM7805KCLINEVREGCOMMONVOLTAGEC3100uFD51B4B42124343T1NLT_PQ_4_10125XSC1ABCDGTXMM108探针2,探针1V:V(峰-峰):V(有效值):V(直流):I:I(峰-峰):I(有效值):I(直流):频率:8表45V电压源测试数据表频率（HZ）阻值（MΩ）电压（V）103500.4975.004其次是对总电路分别用2uF、4uF、6uF、8uF、10uF、12uF、14uF、16uF、18uF和20uF电容作为待测电容进行测试，选其中3个电容进行测试，结果如下，相对误差的计算公式为：相对误差=|测试值-真实值|/真实值。测试电容为2uF时显示的数值如图11所示，各输出波形如图12所示。图11测试电容为2uF时显示的数值图12单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试结果为1.8uF，相对误差为10%，符合设计要求。测试电容为8uF时显示的数值如图13所示，其个输出波形如图14所示。9图13测试电容为8uF时显示的数值图14单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试结果为8.4uF，相对误差为5%，符合设计要求。测试电容为20uF时显示的数值如图15所示，各输出波形如图16所示。图12测试电容为20uF时显示的数值10图16单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出根据设计的原理，得出测试的结果为20.2uF，相对误差为1%，符合设计要求。将上述3个测试结果和其它7个数据记入下表：表5所有测试数据待测电容（uF）实际测量（uF）相对误差21.810%43.85%65.83.3%88.45%1010.44%1212.43.3%1413.62