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(土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_HE X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C2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
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。
U13
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C2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
冲信号经过一个与门后作为计数器的时钟信号进行计数
VCC
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：multisim接地在哪
Tw = R|C2 In 3
当R值固定时，Tw与C2的大小成正比。C2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：
T =(R22&)C4In 2
考虑到设计要求中量程为0.2uF —20uF，令C4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：
RC2I n3 = N(R2 2R3)C4I n2
经过整理得：
C2 =N(R2 2R3)C4ln2/R In 3
适当的选取R、R2和R3的值，使(R2 2R3)C4In2/In3=l，则数码管所显示的数值N为C2与C4的比值。这样我们就可以直接计算出C2的大小了。例如，当
待测电容C2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
输出信号、与门输出信号。
图5
计数锁存电路
T1 + T2 >
->
时同
13.002 ms
5.000 V
豔€
通道A  0.000 V
T2-T1
比例pmsQW xfS
[o -
|Y /T A /B
|5V/Div
电平 [o
fv -
iEj 玄I 标婕I 自动rr 外部I
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
其次是计数锁存电路部分，本部分电路图如图
5所示。
14 5131 1 3
1    6 5
L
;2
CC DDDDDDDD
■
■ 2 43 11 5
QQQQ O
74LS160N
U1
DR K
QQQQ O
74LS160N
A BC D
TP
O R
L C
U2
Q QC Q O
74LS160N
A BC D TP
p
世
U6
DR K
C1
反向 时间釉
通直D 比例
Yf 立畫
触岌
保存 GND C
D
接数码管 接电源
DDDDDDDD
22
3 2 1 9 24
接非门
输出端 接与门 输出端
接数码管 2526 辺8
U3
74LS273N
U7
74LS273N
接单稳态 输出端 3——  ---- 4  ------ 3
16
1 ?怦 ” 2
QQQQQQQQ
3
A BC D
p
世
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
N
图6所示。413111 51
QQ QQ 0
U A S
ABCD N E 0C C 7
~
3同5 6 ~~_2f~
图6 74LS160N管脚图
其中A、B、C、D端接地，Q/—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
功能真值表
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

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