【简单数字式电容测量仪 】

一、搭建背景

电子实验期末考试：单线抽签1.5h内部完成，双人线搭建电容测量仪3h内完成。

二、实验要求

1.测量电路的电容大小，测量范围为100pF~0.047uF。

2.用数码管显示测量值，范围为0000~999。

3.测量时间小于1s。

4.相对误差小于10%。

5.用multisim进行仿真。

6.写实验报告。

三、设计思路和方案选择

1. 在一定条件下，555多谐振荡电路自激产生的矩形波高电平时间与电容值成正比。

2. 用这个高电平时间T1=0.7*（R1 R2）*Cx 作为一个时间窗口，标准脉冲信号在此时间窗口中与计算。通过设置相关参数，与后获得的脉冲数等于需要显示的电容值，最后输入脉冲数LS待测电容值可显示161。

符号说明：

T1，T2，T 分别是555多谐振荡电路自激产生的矩形波的高电平时间、低电平时间和周期。  fs：标准脉冲频率。  Cnum：待显示的电容值。  Cx：待测电容值。  N：脉冲个数。 

设计思路：

得到555脉冲和标准脉冲与

标准脉冲在高电平中的数量： N=T1 * fs 即 0.7*（R1 R2）* Cx * fs

选择适当的电阻和标准频率，使0.7*（R1 R2）*fs =1 ，则N=Cnum，最后，将N脉冲输入74LS161可以显示161Cnum了。

计算例子：

例1： C=200pf ，Cnum=200 T1=0.7*（R1 R2）* fs Cnum * 10^-12 F (秒) 高电平时间窗脉冲数： N=T1fs 即N=0.7*（R1 R2）*Cnum * 10^-8 * Cnum=Cnum 我在这里设置让R1 R2=2MΩ，算得fs大约是714.3Khz

例2： C=10nf ，Cnum=10 T1=0.7 （R1 R2） fs * Cnum * 10^-9 F (秒) 高电平时间窗脉冲数： N=T1fs 即N=0.7（R1 R2）*Cnum 10^-8Cnum=Cnum 我还在这里设置让步R1 R2=2MΩ，算得fs大约是714hz

从例子中可以看出，当需要改变范围时，应该改变电阻值或fs可以，因为试验箱电阻类型少，但频率容易改变，我选择改变fs改变量程的目的。

聪明的学生注意到，我们只需要一个高电平内的标准脉冲，但555多个谐振荡器是一个可以产生矩形脉冲波的自激电路的情况下产生一个高电平内的标准脉冲。

此时，我们需要一个控制开关，当接收到第二个高电平信号时，让数字管停止显示。这个开关是LS161.它的保持功能，下面简单介绍一下55定时器和74LS161

四、所需电子设备及简单原理说明

1.555定时器

2.74LS161计数器

3.BS3112017段数码管CD4511译码器）

4.与门，与非门

1.555多谐振荡定时器：

前面提到的555多谐振荡定时器是一种能产生矩形波的自激振荡器。连接电源后，矩形脉冲波可以自动产生，无需添加触发信号。 如何自我激励，想要深入的学生可以点击以下连接

https://www.cnblogs.com/Wilson-hhx/p/12056133.html

这里只讲简单的应用:

产生周期可调，占空比可调的矩形波 T1=0.7*（R1 R2）C T2=0.7R2C T=0.7（R1 2*R2）*C 直接上仿真 （Multisim14 版本）

理论计算 T1=0.7210^6*10*10-9 = 14 (ms) 可以看到波形图T1=13.92 ms近似等于14 ms

74LS161计数器： 1.输出数字信息，使数字管显示相应的数字

2.作为开关，保持555输出高电平

这里我只说重要的功能，并根据我的理解简单描述: 1脚是“Clear，即清零，低电平有效

2脚是时钟脚，即输入脉冲的地方，沿着触发上升

7、10脚 CTP，CTT（也叫ENP ENT）：使能引脚

1 -15脚，Qa\Qb\Qc\Qd：输出数字信号，字信号~15

数字显示功能(我用的是异步清零):

CP接收脉冲的数量，即输出值Qd\Qc\Qb\Qa。

例如，如果输入10个脉冲 ，最后Qd\Qc\Qb\Qa的二进制值为1010（最高位的Qd）,最后，连接数码管(内置)CD4511译码器)，可显示10。 重点:如果我们想用十进制计数，让数字管从0-9清除，只让Qb、Qd当两个引脚接一个和非门时Qb、Qd=1.与非门输出0，最后输入clr引脚实现清洁功能。

数字保持功能(即开关功能):

因为我们前面提到只需要一个高电平，所以当我们达到第二个上升边缘时，让我们 74LS161保持当前计数值。事实上，矩形波将继续发生在555以后，但计数值已经保持，即记录在高电平内的脉冲数。

我使用异步清理和同步置数功能。同时，这里不介绍其他引脚。我想对74有更深入的了解LS161名学生可参考以下链接，写得非常详细：

https://blog.csdn.net/APPDREAMER/article/details/115374653

对了，期末复习555单稳态触发器，与555的区别在于需要额外的激励触发(负跳变时)来产生输出脉宽，tw=1.1Rc

五、multisim14仿真实现

100pF测量： 0.047uF也就是47nF测量

六、实验室建筑展示

270uf 电容测量 ![插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4c5c304b2cbd467298a2bf46f0af3475.png

100 pf电容测量

七、总结反思

仿真和实验过程中遇到的问题有：

1. 从理论计算中获得fs ，如果直接使用，可能与实际显示的电容值有一定差距。在进行模拟和实际实验时，需要根据情况调整实际情况fs(这就是为什么我选择调整fs换档的原因)，当数字管显示值时=Cnum同时尝试其他电容值，如果偏差小，则设置fs合理。

2. 模拟时，示波器或模拟速度非常慢，需要正确multisim14进行一些参数设置，具体参照下面的连接： https://blog.csdn.net/qq_45413245/article/details/105426221

3. 做实验的时候不要慌，按照模块一步一步做，心态很重要。

参考链接：

1. https://www.docin.com/p-492223926.html?qq-pf-to=pcqq.c2c
2. https://blog.csdn.net/APPDREAMER/article/details/115374653
3. https://blog.csdn.net/qq_45413245/article/details/105426221