电容测试仪的设计与制作谷明先

明达职业技术学院毕业设计 (论文)20092010学年度信息工程系电子信息工程技术专业班级 07电信（1）班 学号43073120 课题名称电容测试仪的设计与制作学生姓名 谷 明 先 指导教师陈 慕 铭2009年 12 月 25 日电容测试仪的设计与制作作者：谷明先【摘要】：本次所设计的电容测试仪电路主要是由IC1NE555组成的基准电路、对比电路和指示电路。测量相同容量的电容，此装置简单易实现、成本低、使用方便等优点。电容测试仪在工业生产中是非常重要的，它可用于生产厂对某一产品所用电容的检验，可保证产品质量的一致，同时也便于产品出厂前的质量检验。【关键词】：555定时器 稳压电路 延时电路 比较电路第一章 方案的选择与论证1.设计要求（1）该电路能校准测试电容容量（2）被测电容的容量在0.01F至100F范围内（3）测量误差小于20% （4）自制+5V稳压直流电源2.方案论证方案1 图1此电路是由标准电容、电位器与被测电容组成一个四臂电桥。由NE555与R1、R2及C1组成一个脉冲振荡器，产生约500Hz的脉冲价值点桥的一个输入端。调节电位器使耳机中听到的声音最小，电桥达到平衡。这时在电位器旋钮刻度盘上所标的数值便是被测电容的容量。其电路图见图1。方案2图2将一个基准电容和一个被侧电容分别放入基准电路和对比测试电路，然后通过指示电路可看出两个电容是否相等，若LED1和LED2同时熄灭，说明两电容相等，否则，说明两电容不相等，可通过改变基准电容进一步测得被测电容的基本容量。其电路图见图2方案确定 第一方案虽然简单，但是其输入不稳定，会导致其测试不准，误差大；第二方案电路也简单，不仅能测试被测电容是否与基准电容相等，而且还能测出被测电容的基本容量。比较之，选择第二方案作为本次设计方案。第二章 电源电路的设计一设计思路（1）利用二极管的单向导电性对220V交流电压进行整流，使其成为脉动的直流电压，再利用电容或电感的储能特性对脉动的直流电压进行滤波，以减少其脉动量。还要对滤波后的直流电压进行稳压。（2）使用可以输出正电压输出或负电压输出两种类型的三端稳压器CW7812、 CW7912做出稳压电路。二电源电路 用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。把整流二极管当作理想元件，即认为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。220电源通过全波整流降压为15V左右的电压通过滤波稳压变为5V的稳定电源。电源电路组成框图见图3。电路图见附录二。 + 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _图3三单元电路1.整流与滤波电路图4（a）是桥式整流电路。如图4所示，变压器的次级只有一组线圈。但用四只二极管互相接成桥式形式，故称为桥式整流电路。图4（b）所示是其简化法。图4(a) 图4（b）整流过程中，四个二极管两两轮流导通，正负半周内都有电流流过RL。例如，当u2为正半周是（如图中所示极性），二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4因加反向电压而截止。电流i（如图中实线所示）从变压器端出发流经二极管VD1、负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器端，并在负载RL上产生电压降u0;反之，当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0。由于i和i流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0= u0+ u0。桥式整流电路的波形如图5所示，因而其输出电压为：U0=0.9U2而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：URM=1.414 U2 图5在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交压u流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为： 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： 流过每只二极管的平均电流为： 其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。2、稳压电路由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。常固定电压输出稳压器见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo 2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 24V时，UI的最大值UImax = 40V。 可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2 37V，最大输出电流Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3 40V第三章 主电路的工作原理1.工作原理 本电路主要有三部分组成：一个基准电路一个测试对比电路和一个指示电路。电路中，IC1组成测试基准电路，他是由NE555与R1R2及C1组成的单稳态电路，SB1是它的触发按钮开关，按下SB1后单稳态电路启动，单稳态电路的暂稳态时间由Td1=1.1(R1+R2)C1决定，改变其中任何一个元件的数值，Td1随之改变，电路的输出状态也会改变。电路中的C1为对比测量时所用的基准电容，它要根据检测品种的需要随时变换。使用时，按动SB1，为IC1的2脚输入一个负向脉冲，单稳态电路启动，3脚输出高电平，C1开始充电，电路进入暂稳延时状态，充电结束后，单稳态电路恢复稳态，NE555的3脚恢复低电平。IC2组成被测电容测试对比电路，它是由NE555与被测电容Cx组成的另一个单稳态电路，它的单稳态时间由TD2=1.1R5Cx决定。它和基准电路共用一个启动开关SB1，测试时按下SB1两电路同时启动。如果被测电容Cx和基准电容C1的容量完全相同，两个单稳态电路的Td相等，即它们的输出状态完全相同。则当按下SB1后，IC1和IC2同时输出高电平，延时结束后两电路同时恢复低电平。这时LED1和LED2同时发光，但HTD的两端因同时出现等电位，因此不会发声。如果被测电容CX的容量大于基准电容C1的容量，则会出现被测电容的Td2大于基准电容的Td1。这是就会出现这样的结果:当按下SB1两电路同时启动并经延时后，IC1首先由高电平恢复低电平，IC2则随后恢复低电平。在IC1首先由高电平恢复低电平后，由于IC2仍为高电平，就会出现IC1由高电平恢复低电平的瞬间，IC2输出的高电平通过VD6-HTD-VD3构成回路，使HTD发出铛的一声，同时LED1首先熄灭。这种测试结果表明：被测电容Cx的容量大于基准容量C1.反之，当被测电容Cx的容量小于基准电容C1时，IC2的输出端比IC1首先恢复低电平。输出电路会出现由VD4-HTD-VD5构成回路，在IC2恢复低电平的瞬间发出挡的一声，同时LED2首先熄灭。2.电路原理图电路原理图见附录一第四章 电路的组装与调试1.电路的组装 组装该电路时由于不了解NE555定时器的作用和各个引脚的功能，通过上网和去图书馆查资料的方法了解了该电容测试仪的原理。插上面包板后电路就可以正常运行了。2.电路的调试 在组装好电路后发现NE555定时器两输出端的电压是一样的，此时的现象应该是两个灯同时亮同时灭。但现象不是这样的，经过老师的检查发现该555定时器是坏的，结果换了一个元件现象就出来了。当发光二集管亮时：2脚电压为4V ，3脚电压为2.9V，且输出脉冲波， 6、7脚均为2V，当发光二集管不亮时：2脚电压为4V，3脚电压为0.6V ，6、7脚均为0V。再观察Cx大于C1的情况，现象应该是LED1先灭，LED2亮，此时喇叭响一声。但发现现象为灯是亮的，喇叭不响。再测一下发现经过喇叭之间的电流过大导致喇叭不响。将喇叭用发光二极管代替以后现象就正确了。3.电源的调试 在组装好电源后，测出其输出电压为3.2V，但理论值应该是5V，经过检查后发现变压器是好的，接下来就检查稳压器的问题发现该稳压器的3端输出电压不正确，换个稳压器后现象就正常了。再用万用表测出该电路经过整流后的电压和经过滤波后的电压看是否符合条件，换上好的元器件后输出电压就正确了。 心得体会在本次毕业设计中，不仅提高了我的动手能力，还是我对电路的设计有了基本的了解，对单稳态电路有了更深的认识。在设计中采用了分块化的设计，这样有助于检查和调试。本次设计主要用到了数字电子的相关知识，主要书集有数字电子技术基础和555集成电路应用精粹，我又通过查一些其它相关资料，对数字电子有了进一步的了解。经过此次的锻炼为今后的学习和工作奠定了较好的基础。经过一个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成本次毕业设计时相当困难的。经过毕业设计让我明白了一件事：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。只要我努力了就会有收获。致谢时光飞逝，转眼间一个月的毕业设计就要结束了，也就是说我们3年的大学生活就要结束了，我们即将走向社会，为创造我们的美好未来而努力工作。而这一个月的毕业设计让我增加了不少的实践经验，为我不久进入社会打下良好的基础，我现、在充满信心，我相信我会成功！在这次毕业设计中我由衷的感谢指导老师陈慕铭老师辛勤的指导和耐心的帮助。使我将所学知识运用到实践操作当中，并给我提出了许多宝贵的意见。还要感谢在此次毕业设计过程中给我提供帮助的各位老师！最后我要感谢我的搭档与我共同完成本次毕业设计并取得圆满成功。 参考文献 【1】廖先芸：电子技术实践与训练，北京，高等教育出版社，2005.6【2】周良权：数字电子技术基础，北京，高等教育出版社，2002.12 【3】杨毅德：模拟电路，重庆，重庆大学出版社，2004.5 【4】陈有卿：555时基集成电路原理与应用，机械工业出版社 【5】刘秋艳：Protel 99 SE，北京，中国铁道出版社，2005.7附录一附录二13