電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作

1、電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作作者：谷明先【摘要】：本次所設(shè)計(jì)的電容測(cè)試儀電路主要是由IC1NE555組成的基準(zhǔn)電路、對(duì)比電路和指示電路。測(cè)量相同容量的電容，此裝置簡單易實(shí)現(xiàn)、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電容測(cè)試儀在工業(yè)生產(chǎn)中是非常重要的，它可用于生產(chǎn)廠對(duì)某一產(chǎn)品所用電容的檢驗(yàn)，可保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致，同時(shí)也便于產(chǎn)品出廠前的質(zhì)量檢驗(yàn)?！娟P(guān)鍵詞】：555定時(shí)器 穩(wěn)壓電路 延時(shí)電路 比較電路第一章 方案的選擇與論證1.設(shè)計(jì)要求（1）該電路能校準(zhǔn)測(cè)試電容容量（2）被測(cè)電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)（3）測(cè)量誤差小于20% （4）自制+5V穩(wěn)壓直流電源2.方案論證方案1 圖1此電路是由標(biāo)準(zhǔn)電容、電位器與被測(cè)

2、電容組成一個(gè)四臂電橋。由NE555與R1、R2及C1組成一個(gè)脈沖振蕩器，產(chǎn)生約500Hz的脈沖價(jià)值點(diǎn)橋的一個(gè)輸入端。調(diào)節(jié)電位器使耳機(jī)中聽到的聲音最小，電橋達(dá)到平衡。這時(shí)在電位器旋鈕刻度盤上所標(biāo)的數(shù)值便是被測(cè)電容的容量。其電路圖見圖1。方案2圖2將一個(gè)基準(zhǔn)電容和一個(gè)被側(cè)電容分別放入基準(zhǔn)電路和對(duì)比測(cè)試電路，然后通過指示電路可看出兩個(gè)電容是否相等，若LED1和LED2同時(shí)熄滅，說明兩電容相等，否則，說明兩電容不相等，可通過改變基準(zhǔn)電容進(jìn)一步測(cè)得被測(cè)電容的基本容量。其電路圖見圖2方案確定 第一方案雖然簡單，但是其輸入不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致其測(cè)試不準(zhǔn)，誤差大；第二方案電路也簡單，不僅能測(cè)試被測(cè)電容是否與基準(zhǔn)電容

3、相等，而且還能測(cè)出被測(cè)電容的基本容量。比較之，選擇第二方案作為本次設(shè)計(jì)方案。第二章 電源電路的設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)思路（1）利用二極管的單向?qū)щ娦詫?duì)220V交流電壓進(jìn)行整流，使其成為脈動(dòng)的直流電壓，再利用電容或電感的儲(chǔ)能特性對(duì)脈動(dòng)的直流電壓進(jìn)行濾波，以減少其脈動(dòng)量。還要對(duì)濾波后的直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。（2）使用可以輸出正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型的三端穩(wěn)壓器CW7812、 CW7912做出穩(wěn)壓電路。二電源電路 用二極管的單向?qū)щ娦越M成整流電路，可將交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓。把整流二極管當(dāng)作理想元件，即認(rèn)為它的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。220電源通過全波整流降壓為15V左右的電壓通過濾波穩(wěn)壓變?yōu)?/p>

4、5V的穩(wěn)定電源。電源電路組成框圖見圖3。電路圖見附錄二。 + 電 源 + 整 流 + 濾 波 + 穩(wěn) 壓 + u1 u2 u3 uI U0 _ 變壓器 _ 電 路 _ 電 路 _ 電 路 _圖3三單元電路1.整流與濾波電路圖4（a）是橋式整流電路。如圖4所示，變壓器的次級(jí)只有一組線圈。但用四只二極管互相接成橋式形式，故稱為橋式整流電路。圖4（b）所示是其簡化法。圖4(a) 圖4（b）整流過程中，四個(gè)二極管兩兩輪流導(dǎo)通，正負(fù)半周內(nèi)都有電流流過RL。例如，當(dāng)u2為正半周是（如圖中所示極性），二極管VD1和VD2因加正相電壓而導(dǎo)通，VD3和VD4因加反向電壓而截止。電流i（如圖中實(shí)線所示）從變壓器端

5、出發(fā)流經(jīng)二極管VD1、負(fù)載電阻RL和二極管VD2，最后流入變壓器端，并在負(fù)載RL上產(chǎn)生電壓降u0;反之，當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，二極管VD3、VD4因加正向電壓導(dǎo)通，而二極管VD1和VD2因加反向電壓而截止，電流i(如圖中虛線所示)流經(jīng)VD3、RL和VD4，并同樣在RL上產(chǎn)生電壓降u0。由于i和i流過RL的電流方向是一致的，所示RL上的電壓u0為兩者之和，即u0= u0+ u0。橋式整流電路的波形如圖5所示，因而其輸出電壓為：U0=0.9U2而二極管反向峰值電壓是全波整流電路的一半，即：URM=1.414 U2 圖5在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè)二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交壓u流電壓u2變換

6、成脈動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓u3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI。UI與交流電壓u2的有效值U2的關(guān)系為： 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： 流過每只二極管的平均電流為： 其中：R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足：其中：T = 20ms是50Hz交流電壓的周期。2、穩(wěn)壓電路由于輸入電壓u1發(fā)生波動(dòng)、負(fù)載和溫度發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出的直流電壓會(huì)隨著變化。因此，為了維持輸出電壓穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流

7、電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器的類型很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。按輸出電壓類型可分為固定式和可調(diào)式，此外又可分為正電壓輸出或負(fù)電壓輸出兩種類型。常固定電壓輸出穩(wěn)壓器見的有CW78（LM78）系列三端固定式正電壓輸出集成穩(wěn)壓器；CW79（LM79）系列三端固定式負(fù)電壓輸出集成穩(wěn)壓器。三端是指穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和接地三個(gè)接地端子。型號(hào)中最后兩位數(shù)字表示輸出電壓的穩(wěn)定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。穩(wěn)壓器使用時(shí)，要求輸入電壓UI與輸出電壓Uo

8、的電壓差UI - Uo 2V。穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流Io = 8mA。當(dāng)Uo = 5 18V時(shí)，UI的最大值UImax= 35V；當(dāng)Uo=18 24V時(shí)，UI的最大值UImax = 40V。 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的CW337系列（LM337）三端穩(wěn)壓器。在可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的三個(gè)端是指輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=1.2 37V，最大輸出電流Iomax =1.5A。輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：UI -Uo = 3 40V第三章 主電路的工

9、作原理1.工作原理 本電路主要有三部分組成：一個(gè)基準(zhǔn)電路一個(gè)測(cè)試對(duì)比電路和一個(gè)指示電路。電路中，IC1組成測(cè)試基準(zhǔn)電路，他是由NE555與R1R2及C1組成的單穩(wěn)態(tài)電路，SB1是它的觸發(fā)按鈕開關(guān)，按下SB1后單穩(wěn)態(tài)電路啟動(dòng)，單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間由Td1=1.1(R1+R2)C1決定，改變其中任何一個(gè)元件的數(shù)值，Td1隨之改變，電路的輸出狀態(tài)也會(huì)改變。電路中的C1為對(duì)比測(cè)量時(shí)所用的基準(zhǔn)電容，它要根據(jù)檢測(cè)品種的需要隨時(shí)變換。使用時(shí)，按動(dòng)SB1，為IC1的2腳輸入一個(gè)負(fù)向脈沖，單穩(wěn)態(tài)電路啟動(dòng)，3腳輸出高電平，C1開始充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)延時(shí)狀態(tài)，充電結(jié)束后，單穩(wěn)態(tài)電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，NE555的3腳恢復(fù)低

10、電平。IC2組成被測(cè)電容測(cè)試對(duì)比電路，它是由NE555與被測(cè)電容Cx組成的另一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，它的單穩(wěn)態(tài)時(shí)間由TD2=1.1R5Cx決定。它和基準(zhǔn)電路共用一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)SB1，測(cè)試時(shí)按下SB1兩電路同時(shí)啟動(dòng)。如果被測(cè)電容Cx和基準(zhǔn)電容C1的容量完全相同，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路的Td相等，即它們的輸出狀態(tài)完全相同。則當(dāng)按下SB1后，IC1和IC2同時(shí)輸出高電平，延時(shí)結(jié)束后兩電路同時(shí)恢復(fù)低電平。這時(shí)LED1和LED2同時(shí)發(fā)光，但HTD的兩端因同時(shí)出現(xiàn)等電位，因此不會(huì)發(fā)聲。如果被測(cè)電容CX的容量大于基準(zhǔn)電容C1的容量，則會(huì)出現(xiàn)被測(cè)電容的Td2大于基準(zhǔn)電容的Td1。這是就會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果:當(dāng)按下SB1兩電路同時(shí)啟

11、動(dòng)并經(jīng)延時(shí)后，IC1首先由高電平恢復(fù)低電平，IC2則隨后恢復(fù)低電平。在IC1首先由高電平恢復(fù)低電平后，由于IC2仍為高電平，就會(huì)出現(xiàn)IC1由高電平恢復(fù)低電平的瞬間，IC2輸出的高電平通過VD6-HTD-VD3構(gòu)成回路，使HTD發(fā)出鐺的一聲，同時(shí)LED1首先熄滅。這種測(cè)試結(jié)果表明：被測(cè)電容Cx的容量大于基準(zhǔn)容量C1.反之，當(dāng)被測(cè)電容Cx的容量小于基準(zhǔn)電容C1時(shí)，IC2的輸出端比IC1首先恢復(fù)低電平。輸出電路會(huì)出現(xiàn)由VD4-HTD-VD5構(gòu)成回路，在IC2恢復(fù)低電平的瞬間發(fā)出擋的一聲，同時(shí)LED2首先熄滅。2.電路原理圖電路原理圖見附錄一第四章 電路的組裝與調(diào)試1.電路的組裝 組裝該電路時(shí)由于不了

12、解NE555定時(shí)器的作用和各個(gè)引腳的功能，通過上網(wǎng)和去圖書館查資料的方法了解了該電容測(cè)試儀的原理。插上面包板后電路就可以正常運(yùn)行了。2.電路的調(diào)試 在組裝好電路后發(fā)現(xiàn)NE555定時(shí)器兩輸出端的電壓是一樣的，此時(shí)的現(xiàn)象應(yīng)該是兩個(gè)燈同時(shí)亮同時(shí)滅。但現(xiàn)象不是這樣的，經(jīng)過老師的檢查發(fā)現(xiàn)該555定時(shí)器是壞的，結(jié)果換了一個(gè)元件現(xiàn)象就出來了。當(dāng)發(fā)光二集管亮?xí)r：2腳電壓為4V ，3腳電壓為2.9V，且輸出脈沖波， 6、7腳均為2V，當(dāng)發(fā)光二集管不亮?xí)r：2腳電壓為4V，3腳電壓為0.6V ，6、7腳均為0V。再觀察Cx大于C1的情況，現(xiàn)象應(yīng)該是LED1先滅，LED2亮，此時(shí)喇叭響一聲。但發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象為燈是亮的，喇叭

13、不響。再測(cè)一下發(fā)現(xiàn)經(jīng)過喇叭之間的電流過大導(dǎo)致喇叭不響。將喇叭用發(fā)光二極管代替以后現(xiàn)象就正確了。3.電源的調(diào)試 在組裝好電源后，測(cè)出其輸出電壓為3.2V，但理論值應(yīng)該是5V，經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)變壓器是好的，接下來就檢查穩(wěn)壓器的問題發(fā)現(xiàn)該穩(wěn)壓器的3端輸出電壓不正確，換個(gè)穩(wěn)壓器后現(xiàn)象就正常了。再用萬用表測(cè)出該電路經(jīng)過整流后的電壓和經(jīng)過濾波后的電壓看是否符合條件，換上好的元器件后輸出電壓就正確了。 心得體會(huì)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，不僅提高了我的動(dòng)手能力，還是我對(duì)電路的設(shè)計(jì)有了基本的了解，對(duì)單穩(wěn)態(tài)電路有了更深的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)中采用了分塊化的設(shè)計(jì)，這樣有助于檢查和調(diào)試。本次設(shè)計(jì)主要用到了數(shù)字電子的相關(guān)知識(shí)，主要書集有

14、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和555集成電路應(yīng)用精粹，我又通過查一些其它相關(guān)資料，對(duì)數(shù)字電子有了進(jìn)一步的了解。經(jīng)過此次的鍛煉為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定了較好的基礎(chǔ)。經(jīng)過一個(gè)多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)大專生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，想要完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)困難的。經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我明白了一件事：做一件事情，不必過于在乎最終的結(jié)果，可貴的是過程中的收獲。只要我努力了就會(huì)有收獲。致謝時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間一個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，也就是說我們3年的大學(xué)生活就要結(jié)束了，我們即將走向社會(huì)，為創(chuàng)造我們的美好未來而努力工作。而這一個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我增加了不少的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為我不久進(jìn)入社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)，我現(xiàn)、在充滿信心，我相信我會(huì)成功！在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我由衷的感謝指導(dǎo)老師陳慕銘老師辛勤的指導(dǎo)和耐心的幫助。使我將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐操作當(dāng)中，并給我提出了許多寶貴的意見。還要感謝在此次