数字式电容测量仪设计
摘
设计基555定时器连接构成谐振荡器单稳态触发器测量电容单稳态触发器中涉电容测量电容脉输入信号555定时器构成谐振荡器产生信号频率根选电阻电容参数调节样便定量确定测电容容值范围单稳态触发器输出脉宽根电容值脉宽应电容值精度达01然电路中加入LM741电容电阻构成阻容滑滤波器单稳态触发器输出信号滤波终输出电压测量电容值呈线性关系输出电压数字化输入7448译码器中翻译成BCD码输入LED数码中显示出
关键词：电容555定时器滤波器线性译码器LED数码
目录
测量系统方案设计··············································3
11测量部分系统方案设计·····································3
111恒亚充电法测量···················································3
112恒流充电法测量···················································3
113脉计数法测量···················································3
12测量信号数字化系统方案选择································3
121利单片机进行编程翻译··········································4
122利译码器进行翻译··············································4
二单元电路设计原理·············································4
21 电容值测量电路原理·······································4
211谐振荡器电路图工作原理·······································6
212单稳态触发器电路图工作原理·····································7
213滤波器工作电路图原理··········································8
22模拟信号处理数字化显示·····························9
三系统参数设定······················································10
四结谢词························································11
41结·····························································11
42谢词····························································11
参考文献··································································12附表：元器件明细表······················································13
系统方案设计
11 测量部分系统方案设计
111恒压充电法测量
电阻电容串联恒压源电容进行充电然根电容充电曲线超某固定电压需时间利曲线拟合方法测量测量原始公式：见电容值电压时间呈微分关系种方法测量时间容值非线性测量难度高精度低难实现数字化
112：恒流充电法测量
恒流源电容充电时电容容量充电时间成正利AD者较功某固定电压较实现电容测量测量原始公式： 恒流源电流已知时间电压测量出面公式求电容种方法测量精度较种方法提高便操作实现恒流源恒流源设计求高达测量需精度求种方法适
113：脉计数法测量电容
555定时器两电阻电容构成谐振荡电路产生较稳定振荡频率计算公式：≈频率选择电阻电容值确定555定时器电阻电容构成单稳态触发器述谐振荡电路产生振荡信号作单稳态触发器触发信号根电容调节占空LM741两电容电阻构成阻容源滤波器单稳态触发器产生输出信号滤波成稳定输出电压方法测量较精确容易调节测量电容值范围（需调节构成单稳态触发器电阻）
综合述三种方法选择第三种方法
12 测量信号数字化系统方案选择
121：利单片机进行编程翻译
测量出电压信号值输入事先编程序单片机中应单片机电压信号翻译出送入LED数码显示中显示出应数选单片机凌阳单片机该方法显示出数精确设计操作简单功易扩展单片机设计成提高济测量环境求较高
122：利译码器进行翻译
测量出结果输入译码器中利译码器电信号翻译然输入LED数码显示中显示出应数选择译码器7448译码器该方法器材较便宜做成成品便携显示非常精确功会单
里测量精确求高选择第二种方案
二 单元电路设计原理
方案分两方面：1电容量测量出结果输出电压信号2输出电压信号翻译成数字信号数码显示出
21 电容值测量电路原理
211 谐振荡器电路图工作原理
555定时器构成谐振荡器电路图图211示：
图211 555定时器构成谐振荡器
电路工作原理：接通电源电容C充电升时低电时放电三极T导通时电容C通T放电降降时翻转高电电容器充放电需时间
放电结束时T截止通电容器C充电升需时间：
升时电路翻转低电周复始电路输出端周期性矩形波振荡频率：
212 单稳态触发器电路图工作原理
555定时器构成单稳态触发器电路图图212（a）示简化电路图212（b）示：
图212（a）555定时器构成第三稳态触发器电路
图212（b）555定时器构成单稳态触发器简化电路
工作原理：没触发信号时处高电（＞）果接通电源Q0
0T导通电容通放电三极放电0保持低电变果电源接通Q1放电三极T会截止电源通电阻R电容充电升时R0S1锁存器置0低电时放电三极T导通电容放电保持低电变电路通电没触发信号时电路种稳定状态0
触发输入端施加触发信号（＜）电路输出状态低电跳变高电电路进入暂稳态放电三极T截止电容充电充电时电路输出端电压高电翻转低电时T导通电容放电电路返回稳定状态
果忽略T饱压降零电升时间输出电压脉宽
通常R取值百欧兆欧间电容取值百皮法百微法种电路产生脉宽度微秒分钟精度达01样保证测量时精度保证测量范围够达100pF~100uF
213 率波器工作电路图原理利LM741电容电阻组成阻容源滤波器电路结构图213示
图213 LM741组成阻容滤波器
工作原理LM741占空信号进行滑滤波产生出信号（图213中 ）测量呈线性关系
214 滤波器工作电路图原理
测试部分总电路图图214示图中测量电容图中电源测量电路电源值15~18伏特间
图214 测量电路总图
22 模拟信号处理数字化显示
环节中直接采信号送入7448译码器中进行翻译翻译成 BCD码送入LED数码中显示出电路结构图221
图22出BCD—七段显示译码器7448逻辑图果考虑逻辑图中G1~G4组成附加控制电路影响（G3G4输出高电）Ya~YgA3A2A1A0间逻辑关系：
Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg
G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19
G3 A’0 G9 A’1 G10 A’2 G11 A’3 G12
G4
G5 G6 G7 G8
G1 G2
A0 A1 A2 A3
图221 BCD—七段显示译码器7448逻辑图
&
&
&
&
&
&
&
&
1
1
1
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
≥1
&
&
根BCD—七段显示译码器逻辑关系式逻辑图列出真值表表2—2
LED数码构造显示原理：
LED数码分阳极阴极两种图2—2—2（a）示部结构图2—2—2（b）（c）示a~g代表7笔段驱动端称笔段电极DP数点第3脚第8脚部连通+代表公阳极表示公阴极阳极LED数码（图2—2—2（a）（b）示）8发光二极阳极短接作公阳极工作特点笔段电极接低电公阳极接供电时发光阴极LED数码相反发光二极阴极短接作公阴极驱动信号高电端接低电时发光
LED数码特点：
1 低电压电流条件驱动发光CMOSTTL电路兼容
2 发光相应时间极短（＜01us）高频特性单色性亮度高
3 体积重量轻抗击性
4 寿命长寿命10万时甚达100万时
5 成低
三 系统参数设定
系统参数决定系统测量范围触发器中设计单稳态触发器中电阻值取47K 公式：
计算测电阻100pF~100uF产生脉宽0000047s~047s谐振荡器产生信号振荡频率应该2Hz＜2Hz
取谐振荡器中电阻值150K公式：
计算谐振荡器中电容取15uF
数字显示电路中7448译码器译码相应LED数码选阴极数码
元器件取值相应规格详见附录
四 设计结谢词
41 设计结
设计应100pF~100uF电容器测量设计中应单稳态触发器谐振荡器滤波器译码器LED数码显示器等等测量较精确显示速度快适应种环境电容器测量
42 谢词
次毕业设计中投入热情精力设计电路图选择元器件 EWB仿真电路程中出现少问题没气馁没退缩积极查阅资料遍遍重复实践直期结果实现事实证明努力没白费认真严谨实态度带成功喜悦
通次电子系统设计掌握设计数字电路基方法基步骤实际解
决设计中出现问题增强寻找问题解决问题力次设计成功仅帮助更掌握书知识尤重增强信培养独立思考力
通次电子设计感觉收获：首先通学课知识
应实际理实际相结合加深课知识更理解时实段练
动手力：够充分利书籍网络资源查阅资料增加许课外知识 protel 99 EWB等仿真软件操作达学致学生说理实际样重
程中遇解决问题时时查阅资料学请教少走弯路利完成毕业设计外次设计帮助老师学表示感谢谢谢
参考文献
１ 康华光．电子技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社2006年
2 李军．线电元器件精汇．北京：民邮电出版社
3 王松武鑫武思军．电子创新设计实践．北京国防工业出版社．2005年
4 黄智伟．全国学生电子设计竞赛电路设计．北京北京航空航天学出版社2006年
5 力Protel 99 SE 原理图PCB设计教程 北京：电子工业出版社2003
附表 元器件明细表
序号
名称型号规格
数量()
１
555定时器
2
２
LM741放器
1
3
阴极LED数码
4
4
7448译码器
4
5
R(150K)
2
6
R(47K)
1
7
R(220K)
3
8
C(15uF)
7
9
C(001uF)
2
10
C(50uF)
2
11
SWPB
4
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摘
设计基555定时器连接构成谐振荡器单稳态触发器测量电容单稳态触发器中涉电容测量电容脉输入信号555定时器构成谐振荡器产生信号频率根选电阻电容参数调节样便定量确定测电容容值范围单稳态触发器输出脉宽根电容值脉宽应电容值精度达01然电路中加入LM741电容电阻构成阻容滑滤波器单稳态触发器输出信号滤波终输出电压测量电容值呈线性关系输出电压数字化输入7448译码器中翻译成BCD码输入LED数码中显示出
关键词：电容555定时器滤波器线性译码器LED数码
目录
测量系统方案设计··············································3
11测量部分系统方案设计·····································3
111恒亚充电法测量···················································3
112恒流充电法测量···················································3
113脉计数法测量···················································3
12测量信号数字化系统方案选择································3
121利单片机进行编程翻译··········································4
122利译码器进行翻译··············································4
二单元电路设计原理·············································4
21 电容值测量电路原理·······································4
211谐振荡器电路图工作原理·······································6
212单稳态触发器电路图工作原理·····································7
213滤波器工作电路图原理··········································8
22模拟信号处理数字化显示·····························9
三系统参数设定······················································10
四结谢词························································11
41结·····························································11
42谢词····························································11
参考文献··································································12附表：元器件明细表······················································13
系统方案设计
11 测量部分系统方案设计
111恒压充电法测量
电阻电容串联恒压源电容进行充电然根电容充电曲线超某固定电压需时间利曲线拟合方法测量测量原始公式：见电容值电压时间呈微分关系种方法测量时间容值非线性测量难度高精度低难实现数字化
112：恒流充电法测量
恒流源电容充电时电容容量充电时间成正利AD者较功某固定电压较实现电容测量测量原始公式： 恒流源电流已知时间电压测量出面公式求电容种方法测量精度较种方法提高便操作实现恒流源恒流源设计求高达测量需精度求种方法适
113：脉计数法测量电容
555定时器两电阻电容构成谐振荡电路产生较稳定振荡频率计算公式：≈频率选择电阻电容值确定555定时器电阻电容构成单稳态触发器述谐振荡电路产生振荡信号作单稳态触发器触发信号根电容调节占空LM741两电容电阻构成阻容源滤波器单稳态触发器产生输出信号滤波成稳定输出电压方法测量较精确容易调节测量电容值范围（需调节构成单稳态触发器电阻）
综合述三种方法选择第三种方法
12 测量信号数字化系统方案选择
121：利单片机进行编程翻译
测量出电压信号值输入事先编程序单片机中应单片机电压信号翻译出送入LED数码显示中显示出应数选单片机凌阳单片机该方法显示出数精确设计操作简单功易扩展单片机设计成提高济测量环境求较高
122：利译码器进行翻译
测量出结果输入译码器中利译码器电信号翻译然输入LED数码显示中显示出应数选择译码器7448译码器该方法器材较便宜做成成品便携显示非常精确功会单
里测量精确求高选择第二种方案
二 单元电路设计原理
方案分两方面：1电容量测量出结果输出电压信号2输出电压信号翻译成数字信号数码显示出
21 电容值测量电路原理
211 谐振荡器电路图工作原理
555定时器构成谐振荡器电路图图211示：
图211 555定时器构成谐振荡器
电路工作原理：接通电源电容C充电升时低电时放电三极T导通时电容C通T放电降降时翻转高电电容器充放电需时间
放电结束时T截止通电容器C充电升需时间：
升时电路翻转低电周复始电路输出端周期性矩形波振荡频率：
212 单稳态触发器电路图工作原理
555定时器构成单稳态触发器电路图图212（a）示简化电路图212（b）示：
图212（a）555定时器构成第三稳态触发器电路
图212（b）555定时器构成单稳态触发器简化电路
工作原理：没触发信号时处高电（＞）果接通电源Q0
0T导通电容通放电三极放电0保持低电变果电源接通Q1放电三极T会截止电源通电阻R电容充电升时R0S1锁存器置0低电时放电三极T导通电容放电保持低电变电路通电没触发信号时电路种稳定状态0
触发输入端施加触发信号（＜）电路输出状态低电跳变高电电路进入暂稳态放电三极T截止电容充电充电时电路输出端电压高电翻转低电时T导通电容放电电路返回稳定状态
果忽略T饱压降零电升时间输出电压脉宽
通常R取值百欧兆欧间电容取值百皮法百微法种电路产生脉宽度微秒分钟精度达01样保证测量时精度保证测量范围够达100pF~100uF
213 率波器工作电路图原理利LM741电容电阻组成阻容源滤波器电路结构图213示
图213 LM741组成阻容滤波器
工作原理LM741占空信号进行滑滤波产生出信号（图213中 ）测量呈线性关系
214 滤波器工作电路图原理
测试部分总电路图图214示图中测量电容图中电源测量电路电源值15~18伏特间
图214 测量电路总图
22 模拟信号处理数字化显示
环节中直接采信号送入7448译码器中进行翻译翻译成 BCD码送入LED数码中显示出电路结构图221
图22出BCD—七段显示译码器7448逻辑图果考虑逻辑图中G1~G4组成附加控制电路影响（G3G4输出高电）Ya~YgA3A2A1A0间逻辑关系：
Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg
G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19
G3 A’0 G9 A’1 G10 A’2 G11 A’3 G12
G4
G5 G6 G7 G8
G1 G2
A0 A1 A2 A3
图221 BCD—七段显示译码器7448逻辑图
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1
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根BCD—七段显示译码器逻辑关系式逻辑图列出真值表表2—2
LED数码构造显示原理：
LED数码分阳极阴极两种图2—2—2（a）示部结构图2—2—2（b）（c）示a~g代表7笔段驱动端称笔段电极DP数点第3脚第8脚部连通+代表公阳极表示公阴极阳极LED数码（图2—2—2（a）（b）示）8发光二极阳极短接作公阳极工作特点笔段电极接低电公阳极接供电时发光阴极LED数码相反发光二极阴极短接作公阴极驱动信号高电端接低电时发光
LED数码特点：
1 低电压电流条件驱动发光CMOSTTL电路兼容
2 发光相应时间极短（＜01us）高频特性单色性亮度高
3 体积重量轻抗击性
4 寿命长寿命10万时甚达100万时
5 成低
三 系统参数设定
系统参数决定系统测量范围触发器中设计单稳态触发器中电阻值取47K 公式：
计算测电阻100pF~100uF产生脉宽0000047s~047s谐振荡器产生信号振荡频率应该2Hz＜2Hz
取谐振荡器中电阻值150K公式：
计算谐振荡器中电容取15uF
数字显示电路中7448译码器译码相应LED数码选阴极数码
元器件取值相应规格详见附录
四 设计结谢词
41 设计结
设计应100pF~100uF电容器测量设计中应单稳态触发器谐振荡器滤波器译码器LED数码显示器等等测量较精确显示速度快适应种环境电容器测量
42 谢词
次毕业设计中投入热情精力设计电路图选择元器件 EWB仿真电路程中出现少问题没气馁没退缩积极查阅资料遍遍重复实践直期结果实现事实证明努力没白费认真严谨实态度带成功喜悦
通次电子系统设计掌握设计数字电路基方法基步骤实际解
决设计中出现问题增强寻找问题解决问题力次设计成功仅帮助更掌握书知识尤重增强信培养独立思考力
通次电子设计感觉收获：首先通学课知识
应实际理实际相结合加深课知识更理解时实段练
动手力：够充分利书籍网络资源查阅资料增加许课外知识 protel 99 EWB等仿真软件操作达学致学生说理实际样重
程中遇解决问题时时查阅资料学请教少走弯路利完成毕业设计外次设计帮助老师学表示感谢谢谢
参考文献
１ 康华光．电子技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社2006年
2 李军．线电元器件精汇．北京：民邮电出版社
3 王松武鑫武思军．电子创新设计实践．北京国防工业出版社．2005年
4 黄智伟．全国学生电子设计竞赛电路设计．北京北京航空航天学出版社2006年
5 力Protel 99 SE 原理图PCB设计教程 北京：电子工业出版社2003
附表 元器件明细表
序号
名称型号规格
数量()
１
555定时器
2
２
LM741放器
1
3
阴极LED数码
4
4
7448译码器
4
5
R(150K)
2
6
R(47K)
1
7
R(220K)
3
8
C(15uF)
7
9
C(001uF)
2
10
C(50uF)
2
11
SWPB
4
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