數字電容測量儀

摘 要：當今社會正在朝著電子化市場發展，現代電子產品已經廣泛的應用在各個領域，本設計以STC89C52單片機和555振蕩器作為主要元件，通過用555定時器接成單穩態產生閘門信號和多諧振蕩器產生脈沖信號，通過計數器計量閘門信號內脈沖的個數后經鎖存譯碼最后經數碼管顯示出來，進而實現對電容值得測量。

關鍵詞：STC89C52；555振蕩器；電容測量；數碼管顯示

中圖分類號：F425 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01

數字電容測量計設計主要包括測量電路，記數電路和顯示電路三部分。測量電路的核心部分是555定時器構成的單穩態觸發器和多諧振蕩器。記數電路是由74LS160和74LS161構成的計數器以及74LS273鎖存器構成。顯示電路由譯碼器和數碼管構成，測量方法使用測脈寬法，測脈寬法利用記數控制電路中的單穩態觸發器在被測電容CX上的充放電規律，將電容容值轉換為脈沖寬度TX，再與標準脈沖信號相與得到TX內的脈沖數N，通過記數顯示就可以得到容值。本設計選擇用閘門信號來控制時鐘信號產生的CP脈沖個數，使其來反映被測電容Cx的數值。用測脈寬法得到的數值比較容易通過數碼管來顯示。

一、單元電路設計與分析

（一）測量電路

圖1是由兩個555定時器接成的單穩態觸發器和多諧振蕩器所構成的電容測量電路，C3為被測電容，當被測電容CX接入電路后，由于電容充放電效應，單穩態觸發器會產生一個脈寬與被測電容大小成正比的閘門信號，同時多諧振蕩器會產生脈沖信號CP，閘門信號與脈沖信號CP同時經過與門運算，得到一個新的脈沖信號，再將此信號送入計數器進行計數。單穩態觸發器由555定時器接成，當接入被測電容時，通過被測電容C3充放電，使電壓在0到2/3VCC之間振蕩，最后脈沖由3端輸出。單穩態觸發器輸出電壓脈寬：TX=RCXln3≈1.1RCX，這種電路產生的脈沖可以從幾微秒到數分鐘。當R固定時，則TW為正比于電容。C越大，則Tw時間內通過與門的時鐘脈沖就越多，則計數電路實現T與C正比。多諧振蕩器輸出電壓脈寬：T=（R1+2R2）Cln2≈0.69（R1+2R2）C。

經過與門后得到的信號滿足：RCxln3=N（R1+2R2）Cln2，令參考電容C=1uf進過整理得：CX=N（R1+2R2）Cln2/Rln3，即當（R1+2R2）Cln2/Rln3=1時，閘門信號內單位脈沖數N×10就得到被測電容CX的容值。

（二）計數電路

計數電路由74LS161計數器74LS160計數器和74LS273鎖存器構成，兩片計數器通過置數法將兩片計數器連接成百進制計數器，計數范圍為0到99。時鐘信號由閘門信號和脈沖信號相與得到，當計數達到99時，再經過一個脈沖時鐘信號74LS161的輸出端Q3和Q1輸出1。兩片計數器輸出端接74LS273鎖存器輸入端，鎖存器時鐘信號由單穩態觸發器輸出信號經過反相得到，經過反相器是為了使鎖存器在計數結束時開始鎖存。計數部分由74LS161十六進制計數器和74LS160十進制計數器構成，74LS160計數器的EP和ET端接高電平，使之保持在工作狀態，時鐘信號由測量電路輸出提供，其進位輸出端接到74LS161計數器的EP和EP端，使其在進位時讓計數器U3工作。兩片計數器的MR端和LOAD端均接測量電路的單穩態輸出端，保證計數器在有效技術范圍內計數。當超出計數范圍時，Q3和Q1為1通過74LS08與門輸入到下一級電路。計數電路中的鎖存功能由鎖存器74LS273完成，D0到D7端為數據輸入端，分別對應接到計數器的輸出端。MR端為異步清零端，接高電位使其保持在工作狀態。時鐘信號由測量電路中的單穩態觸發器輸出端經過反相得到，使其在技術結束時進行鎖存。Q0到Q7端為輸出端，分別接到下一級顯示電路的譯碼器輸入端。

顯示電路主要包括譯碼器7448和數碼管兩部分，計數電路的鎖存器輸出端分別接到譯碼器輸入端，譯碼器LT，RBI均接高電位使其保持工作狀態，QA到QG為譯碼器輸出端分別接到數碼管輸入端，同時Vcc接限流電阻接到輸入端。當接入被測電阻電路工作時，計數器計數再通過鎖存器將計數結果送入7448譯碼器，譯碼器將相應數值譯成高低電平送入數碼管，數碼管顯示相應數值。顯示驅動電路，A0到A3為輸入端，當LI和RBI同時置高電位時譯碼器工作。Ya到Yg為輸出端，分別接數碼管各端驅動顯示。

二、結束語

在這次設計中雖然遇到了許多的困難，首先在設計總電路的時候就有好多方案，是經過了多次的實驗測量選擇出了最合適的方案進行設計。通過與同伴、老師進行商議討論，最終完成了設計方案的確定，通過查閱相關參考文獻對STC89C52單片機的各個管腳進行了了解。以及電路中各個芯片的使用，每個管腳的作用都要有所熟悉才能夠進行本次設計。在進行555定時器產生單脈沖信號時脈沖信號出現了小毛刺，對設計結果產生了不小的影響，后經過上網查閱資料得知信號干擾的解決方法可以在多諧振蕩器輸出端加入74HC08使輸出波形毛刺減少，從而使單片機測量結果變精確。

參考文獻：

[1]胡輝.單片機原理及應用設計[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]康華光.電子技術基礎（模擬部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]邱關源.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]崔瑞雪，張增良.電子技術動手實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[作者簡介]劉玉森（1992.08-），男，河北承德人，本科；劉笑聰（1993.11-），女，河北石家莊人，大專；周士昆（1992.02-），男，河北唐山人，本科。