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电容数字测量仪(一)
摘 要: 本设计介绍了CC40106、CT74LS47、CC4049、5G7555 芯片的性能极其特点，并阐明利用该芯片设计电容
数字测量仪的方法.该测量仪具有测量100pF~1µF范围的电容，用三位数字显示。为保证测量精度，对所测值
的最低位有四舍五入功能。
关键词：电容；A/D转换器；数字显示器；计数器；译码器
中图分类号: TP216+.1
1、 数字测量基本工作原理概述
电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要影响。本课题就是用数字显示的方式对电容进行测量。电容测量的基本原理是：把电容通过电路转换成电压量，然后把电压量经过模数转换成为数字量进行显示。
2、 方案的比较选择
2.1 选择总体方案
方案Ⅰ：如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx成正比的直流电压Ux ，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。
（图1）
方案Ⅱ：用下图的框图代替A/D转换器，可得到第二种方案。图中压控振荡器输出矩形波，它的频率fx与Ux 成正比，而Ux与被测电容Cx成正比，因而fx与Cx成正比。在计数控制时间Tc等参数合适的条件下，数码管显示器的数字N与Cx的大小可符合题中所要求的函数关系。
（图2）
方案Ⅲ：如图所示，利用单稳态电路或电容充放电电路等可以把被测电容器的大小转换成脉冲的宽窄，即脉冲的宽度Tx与Cx成正比，只要把此脉冲与频率固定的方波（标准脉冲发生器产生的脉冲）相与，便得到计数脉冲，将它送给计数器，锁存器，译码器和数字显示器。如果标准脉冲的频率等参数选择合适，便可实现题中要求的函数关系式。
（图3）
2.2 方案比较，做出初步选择
方案Ⅰ采用了A/D转换器，价格比较昂贵。方案Ⅱ比较复杂，安装调试困难。方案Ⅲ电路简单，采用之。
2.3 可行性分析
经分析可知上图确实可行，其电容数字显示测量电路的详细框图如下：
（图4）
单元电路设计
3.1 低频方波发生器
采用普通的CMOS反向器CC40106构成，如图所示。低频方波发生器的振荡周期应选在1s左右。利用公式 R=R1=R2，T=1.8RC=1s左右估算各参数值。经计算得C=0.15uF，R1=R2=3.6 KΩ.
（图5）
3.2 标准脉冲发生器
采用LM324集成运放，如图所示，此图中用R3和Rp串联作为Ro外，R1、R2 和R应满足对称平衡条件，即R1∥ R2 =R ，R4和R5起衰减作用，经粗略计算得R1=R2=16.5KΩ R3+ R4 =8.28 KΩ R4 =2 KΩ R5=1 KΩ
（图6）
3.3 单稳态电路
采用集成5G7555定时器，如图所示。其中取R=1 KΩ，C=0.01µF
（图7）
计数器
计数器的最大容量为10000，千位，百位，十位，个位各用一个BCD码计数器，高位
可选用一个D触发器，选用CCA4518为该电路的千位，百位，十位，个位BCD码计数器。
逻辑图如下：
（图8）
3.4.1 由CC4518的逻辑图可知，将衰减后的标准脉冲发生器的输出信号接到1CP端，而将详细框图中e点的计数器控制信号接至1EN端，从而省去详细框图中标准脉冲信号发生器与计数器之间的与门。
3.4.2 若从1EN端输入计数脉冲，则CC4518的触发器由计数脉冲的下降沿触发。而当个位计
数器为1001状态时，它的1Q4 =1，若再来一个计数脉冲，则1 Q4由1变为0，即出现下降沿，
因此1Q4 和2EN相连便可实现级联。同理，可将2Q4作为十位计数器的进位输出端。
3.4.3 高位触发器的接法。根据设计要求，若十位计数器的2Q4 端在计数时间内出现下降沿，
高位触发器的3Q1 端应当由0状态变为1状态。在3Q1 =1以后，若2Q4再出现下降沿，3Q1 应
保持状态不变，直至清零信号到来为止。选用D触发器CT74LS74作为高位触发器，它是由上升
沿触发的，因此2Q4必须经过反向后才能接到D触发器的时钟输入端。如图所示，图中D触发器
的输入端接详细框图中的e端，为了使计数器脉冲波形好，反向器采用了施密特反向器。
（图9）
3.5 七段显示译码器/驱动器
BCD-七段显示译码器/ 驱动器CT74LS47的作用是将BCD计数器的输出译成LED数码管所需
的七段输入形式。
3.6 超量程判断及显示电路
所谓超量程是指Cx超过1µF或Cx被短路量程判断及显示电路如图所示：
（图10）
3.7 清零单稳态触发器：计数器CC4518所需的清零信号波形的脉冲宽度tw的要求是：
3.7.1 tw应比CC4518清零端的延迟时间大的多，以保证能够有效清零。
3.7.2 tw应比时钟周期Tcp小的多，以免引起不该有的误差。
3.7.3 经计算其所需脉冲宽度tw=30µS，由于对tw的要求不高，可选用单稳态电路如下图所示，输出脉冲按下，试估算：tw=0.7RC，把tw=30µs带入，得RC=42.8µs。因此，取C=1000pF，R=43 KΩ，R’为限流保护电阻，它的阻值可在10~100 KΩ范围内选择。
4. 总体电路
根据之前所确定的框图及设计的单元电路，可设计出总体电路图。(附后).图中的反相器A、
B、C、F、E和F合用一片CC4049，图中的施密特反向器G、H、I、J、K和L合用一片CT74LS14,
图中的与门M、N和O合用一片CT74LS74。高位触发器和超量程判断短路选用双D触发器，共用
两片CT74LS74。
集成运放A用一片LM324，+15V单电源供电，其余器件均用+5V电源供电。图中的R23和C13起
延迟作用，其目的是为了清零时高位触发器的D端（图中的D3）为低电平，这样即使在清零时，十
位计数器的2Q4端出现下降沿，高位触发器也不会翻成1状态（若翻成1状态。则会发生错误的进
位信号），从而保证发光二极管的显示状态与题中相符。
5. 元器件清单
CC40106 一片 CT74LS47 四片
CC4049 一片 LM324 一片
CT74LS11 一片 共阳极七段显示器 四片
5G7555 一片 二极管、电阻、电容、导线若干
CC4518 一片
6 .结束语
由于受客观条件的影响，本次课程设计只能单纯以书面的形式进行，这使得实践性大大打了折扣。但这并不会影响课程设计的顺利完成。通过本次课程设计我发现了自己理论知识的不足，通过查阅大量的图书资料以及网络上的资料，通过请教同学和老师，还是学到了许多全新的知识，无论是在对具体的元器件的认识上还是对整体电路的把握上都有了不小的进步！对本专业有了一个飞跃性的认识。
由于我们所学的专业是涉及到电学的，而且基本的电学知识已经和即将成为人们必备的技能之一，学好电学的意义已勿用多言。本次课程设计将会在很大程度上促进后面的工作实践，学为所用、团队合作的意识也将会更加突出。毕业设计是我们学以致用的开始和纯理论向实践转型的开端。总而言之，本次设计给了我很大的启发和帮助。在设计中，通过查阅大量的图书资料，咨询指导老师和周围的同学，最终我得到了比较满意的设计结果。该测量仪可测量电容范围为100PF—1uF。所测结果的显示能力保持一段时间（5s）。
参考文献
[1] 王定国.专用集成电路原理和应用[M].上海科学技术文献出版社,1985
[2] 编写委员会.中国集成电路大全[M].北京国防工业出版社,1985
[3] 吕广平、徐笑貌.集成电路应用500例[J].北京人民邮电出版社,1984
[4] 郝鸿安.模拟集成电路应用集锦[M].上海科学技术出版社,1984
[5] 韩建国等.现代电子测量技术基础[M].中国计量出版社,2000
Digital electric capacity measuring apparatus
Author: Yao Huolin Counselor: Wang Renyan
(Grade 2000 Physics Department of Shangrao Normal College,Shangrao Jiangxi 334001, China)
Have originally designed and introduced CC40106, CT74LS47, CC4049, performance characteristic extremely, 5G7555 of chip is it utilize chip this design electric capacity digital method of measuring apparatus to expound. This measuring apparatus has electric capacity of measuring this 1μF range of 100pF, use three persons of digital display. For guarantee precision of measuring, to minimum location of person who examine is it round up functions to have.
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