Multisim仿真—電容測量電路

數(shù)字式電容測試儀：

電容是電子設(shè)計(jì)中必不可少的一種電子元件，在電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用中十分廣泛，電容的種類繁多，不同種類的電容其數(shù)值從幾pf到數(shù)F，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候需要明確電容容值的大小是十分重要的。本次擬設(shè)計(jì)一款數(shù)字式電容測試儀，通過顯示器直觀的將待測電容的數(shù)值進(jìn)行顯示。通過文獻(xiàn)資料的查閱本次設(shè)計(jì)共提出以下兩種系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案。

方案一：采用單片微控制器來實(shí)現(xiàn)電容容值的檢測；

方案二：采用集成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電容容值的檢測；

方案比較：

方案一的主要工作原理是將待測電容的大小轉(zhuǎn)換成與之成正比的脈沖數(shù)目，然后利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的程序算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容值，最后利用單片機(jī)的IO完成對顯示器的顯示驅(qū)動(dòng)。這種方法是電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可以通過修改程序進(jìn)行軟件升級，但是由于采用單片機(jī)勢必要增加系統(tǒng)的開發(fā)成本，而且要達(dá)到較寬的測量范圍需要單片機(jī)具有較高的工作速度。

方案二主要是利用通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生定時(shí)時(shí)間，時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)頻率基礎(chǔ)信號，頻率為100Kz的脈沖，當(dāng)定時(shí)一開始，閘門開通，被測脈沖通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，則脈沖的個(gè)數(shù)N為電容容量的值。

方案確定：

通過上面對兩種硬件實(shí)現(xiàn)方案的分析和對比可知，方案一雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但是其成本較高，而且需要進(jìn)行系統(tǒng)編程這大大增加了開發(fā)的難度；而方案二采用硬件電路的方式工作更加穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)宕機(jī)的情況。綜合考慮本次設(shè)計(jì)選擇方案二作為系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)方案。

系統(tǒng)的總體方案框圖如下：

單元電路設(shè)計(jì)

供電電路設(shè)計(jì)：

供電電路是一個(gè)電子設(shè)備的基礎(chǔ)，只有供電電路正常工作才能夠保證電子設(shè)備的正常工作。本次設(shè)計(jì)的多路防盜報(bào)警器的供電電路通過隔離式降壓變壓器將交流市電的220V電壓轉(zhuǎn)換成低壓交流電壓，然后通過整流電路將交流電路轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電壓，然后通過濾波電路將脈動(dòng)的直流電壓轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)的直流電壓，由于整流后的直流電壓仍然很高，所以為了能夠?qū)⑵涮峁┙o防盜報(bào)警器使用，還需要將直流電壓進(jìn)一步變換，將其轉(zhuǎn)換為5V直流電壓。

所以供電電路設(shè)計(jì)的首先是變壓器的選擇，由于市電的電壓較高，而現(xiàn)階段大部分芯片都是低壓芯片，并不能夠在高壓環(huán)境中使用，所以需要通過降壓變壓器將交流市電轉(zhuǎn)換為電壓較低的交流電壓。變壓器的變比是一個(gè)十分重要的參數(shù)，它決定著變壓器輸出端的電壓輸入，本次設(shè)計(jì)中變壓器的變比選擇為10:1，這個(gè)變比可以保證，當(dāng)輸入端的電壓為220V時(shí)，變壓器的輸出端電壓為22V左右。

目前電子設(shè)計(jì)中的芯片大部分都采用直流供電，而變壓器輸出測的電壓為交流，所以需要通過整流橋將其轉(zhuǎn)換成直流。因?yàn)檎鳂蚩梢詫⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓，但是通過仿真和實(shí)踐可以知道，轉(zhuǎn)換后整流橋輸出的直流電壓存在較大的脈動(dòng)，并不是平直的電壓信號，為了使其輸出的電壓信號更加平穩(wěn)恒定，需要在整流橋的輸出端設(shè)置濾波電路。

經(jīng)過濾波電路處理后的直流電壓已經(jīng)達(dá)到了可以使用的水平，但是本次設(shè)計(jì)中所使用的電子元件的供電電壓最大5V，所以為了保證能夠提供給電路使用，本次設(shè)計(jì)中選擇集成穩(wěn)壓芯片LM7805，組成集成穩(wěn)壓電路來實(shí)現(xiàn)5V直流電壓的輸出。

基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路

為了實(shí)現(xiàn)對電容數(shù)值的測量，需要在門控電平使能期間對基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。所以基準(zhǔn)脈沖在電容測試儀中是十分重要的一個(gè)參數(shù)。本次設(shè)計(jì)選用555定時(shí)器產(chǎn)生頻率為10KHz的方波脈沖信號作為基準(zhǔn)頻率。本次設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路如下圖所示。 該電路的主要功能是在555定時(shí)器的3腳產(chǎn)生一個(gè)頻率為10KHz的方波信號，利用該方波信號作為基準(zhǔn)信號。

單穩(wěn)電路

如下圖所示為本次設(shè)計(jì)中利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，在電路中利用待測電容的容值大小的不同，在555定時(shí)器的3腳輸出一個(gè)一定寬度的脈沖信號作為門控信號，用該信號來控制脈沖計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)。

為了達(dá)到精準(zhǔn)測量的目的本次設(shè)計(jì)采用分量程測量的方式。實(shí)現(xiàn)分量程測量主要有兩種方法，一種是改變單穩(wěn)電路門控周期，通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)電路中的電阻來實(shí)現(xiàn)；另外一種方法是改變基準(zhǔn)脈沖信號；本次設(shè)計(jì)中選擇方法一，即改變單穩(wěn)電路的門控周期。

計(jì)數(shù)電路

如下圖所示為脈沖計(jì)數(shù)電路。本次設(shè)計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)電路采用三片74LS160組成3位10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)電路。三片74LS160芯片從左到右依次是百位、十位、個(gè)位。其計(jì)數(shù)結(jié)果采用BCD碼的方式進(jìn)行輸出。

顯示驅(qū)動(dòng)電路

如圖所示為本次設(shè)計(jì)的數(shù)字電容測試儀的顯示驅(qū)動(dòng)電路。顯示驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是對計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行顯示。為了保證顯示器顯示內(nèi)容的穩(wěn)定，本次設(shè)計(jì)采用74LS273觸發(fā)器對計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行鎖存，利用BCD碼數(shù)碼管對結(jié)果進(jìn)行顯示。

Multisim仿真

如下圖所示為本次設(shè)計(jì)的數(shù)字電容測試儀的仿真電路，電路左側(cè)的開關(guān)S1和S2是用于量程切換的，S1為1uF-100uF的測量量程，當(dāng)S1閉合時(shí)，此時(shí)可以測量電容的范圍為1uF-100uF。

通過調(diào)節(jié)S1上端的電阻值可以調(diào)節(jié)測量的精確度。

當(dāng)開關(guān)S2閉合時(shí)，此時(shí)測量的范圍為1nF-100nF，在該量程測量的電容值比實(shí)際的電容值小1nF。

電源仿真圖

審核編輯：劉清