摘要:現實生活中，很多時候都是沒有儀表的情況下要測量電容容量。這里提供一種使用單獨的測量電容的數字電容計。設計的目的是應用數字電路課程的理論知識獨立完成一個設計課題，通過對實際電路方案的分析比較、設計計算、元件選取、安裝調試環節，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設計方法。 在設計過程中，我們對這次的設計任務和要求是：1．實現電容容量的基本測量功能；2．實現電容容量的數字顯示；3．實現分檔測量功能，能測量較大范圍內的電容容量；4．精度要求。這樣一來，我們的電容計不僅能實現產量的功能而且可以非常方便的讀取測量結果。 [b]一、方案選擇 [/b] 對于一個容量不變的電容只要外部的充電電路參數被確定下來，則充放電的時間就被唯一確定下來，在這里我們可以應用電容的充電時間來控制計數器計數。既將電容的充電時間作為門控信號，將基準脈沖發生器提供的基準脈沖的寬度作為測量的模，在本電路中用脈寬TS=10Os（100KH）代表電容lpF的電容量。在被測電容充電時間內，被測電容開始充電時將閘門打開，充電結束時將閘門關閉。在閘門開放時間內，計數器所計得的基本脈沖數乘以模，即為電容的容量。 如果改變充放電時間的數量級就可以改變測量電容的量程。 閘門控制器可以用電容，電阻構成充放電路，將充電波形用555構成的整形電路進行整形，將整形后的信號用于控制基準脈沖為計數器提供計數脈沖的時間?；鶞市盘柨捎?55集成電路構成，計數器可用十進制加法計數器構成，然后將計數器的輸出通過譯碼電路顯示出來。從上面分析可見用該方法測量電容是合理的，而且在精度的要求上也是能滿足一般的業余測量的，所以我們選擇該方案作為設計方案。 二、設計步驟 1．初步設計的提出 　　從前面的分析可以總結出我們設計原理應該由基準脈沖發生器、閘門控制電路、計數器、譯碼器、充放電電路、顯示器等六部分組成。 （1）充放電電路 　　對于該設計來說電容測量結果是否準確，充放點電路起著很大的作用，所以我們先對電容的充電電路進行設計，選用最簡單的電路。但是對于該電路的輸出沒有良好的邊緣，不能將電容的充電時間準確地表達出來，不能準確地控制閘門電路，所以考慮用整形電路，在這里我們選用555集成電路構成的單穩態電路進行整形。整形后，信號從555集成電路的out腳輸出，在EWB上我們進行了仿真，觀察到波形有了明顯的改善。 （2）基準脈沖發生電路 　　基準脈沖是用來做為計數器的CP用，所以一般的多諧振蕩器和整形電路就可以完成，由于我們選用比較高的頻率（1o0KHz）做計數頻率，為了使頻率比較穩定我們選用石英晶體來構成振蕩器。 　　從仿真的波形來看，該基準脈沖發生電路產生的脈沖波并不怎么接近理想的方波，但是在這里用于計數器的CP是完全可以的。 （3）計數器電路 　　為了滿足量程和精度要求，我們需要四位輸出，我們選擇用4片十進制計數器74LS160做成計數器，在設計過程中為保證計數的準確，160計數器就不能從一開始就計數，應該在剛開始時給一個異步置0，所以在CD端要加啟動控制信號。 　　在設計過程中一開始我們沒有加入電路中的3個非門，但是發現在低位片是9時就發生了進位，為了消除這個誤差我們將3個非門加到進位信號上產生延遲，這樣就不會發生顯示錯誤了。 （4）閘門控制電路 　　根據理論，整形后的波形是一個有一次正跳變的信號，我們將這個信號取反，這時電容充電時，輸出保持為l，充電完畢后保持為0，將該信號與基本脈沖相與，得到的信號再去控制計數器計數。 （5）譯碼器和顯示器 　　為了制作方便和可操作，我們選用4片CH283L寄存——譯碼——數字顯示器，這樣譯碼和顯示都由同一器件完成。 2．設計與計算 　　從上面的分析可見電路的組成還要變為基準脈沖發生108器、啟動控制、閘門控制電路、計數器、譯碼器、整形電路、顯示器、充放電電路等七部分組成。 （1）啟動控制電路 　　為了將計數和閘門控制信號同步設計該啟動控制電路，既在啟動電路要給出一個負脈沖控制計數器異步置零，同時開啟啟動單穩，所以啟動控制電路用低頻振蕩器形成，頻率為：f=1．443／（R2+2R。）C．≈O．15KH。接通電源后電路起振，第一個脈沖使計數器清零，同時經過C，將單穩觸發器啟動。 （2）門控電路 　　這里我們把電容充放電電路和整形電路合為門控電路。門控電路～和它的充電電路電阻作為主要元件與555時基電路共同組成脈沖啟動型單穩態觸發器。單穩態觸發器的單穩時間td=1．1RC，被測電容c與充電電阻R決定著門控電路的控制時間，決定脈沖計數器對基準脈沖計數的多少。由于每個脈沖代表1PF的電容量，所以測得脈沖數越多，被測電容的容量就越大。為了使被測電容的時間常數RC在C=1PF時與測量的模（1Oos）相等，需要對電阻進行計算：R==9．1MtQ式中c為lPF。 （3）其它電路 　　除了上面兩個功能電路外，其他的功能電路在前面已經完成，主要有：控制閘門電路，基準脈沖產生電路，脈沖計數電路，顯示電路。 （4）數字電容計電路 　　通過上面對數字電容計的各功能電路進行設計后，現在將各功能電路組合起來就可得到總的電原理圖。本次設計在理論上，肯定存在不足與錯漏，懇請各位踴躍批評指正。 參考文獻： [1]賈秀美．數字電路實踐技術[M]沖國科學技術出版社，2000． [2]肖景和．數字集成電路應用精粹[M]．人民郵電出版社，2002． [3]王毓銀．數字電路邏輯設計[M]．高等教育出版社，2002． [4]繩廣基．實用數字邏輯電路100例[1vf]．上海交通大學出版社，1991． [5]中國計量出版社組編．通用數字電路[M]．中國計量出版社，2001． 點擊下載：談數字電容計的設計