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)計中必不可少的一種電子元件，在電子設(shè)計的應(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，在實際應(yīng)用的時候需要明確電容容值的大小是十分重要的。本次擬設(shè)計一款數(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)計共提出以下兩種系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案。

方案一：采用單片微控制器來實現(xiàn)電容容值的檢測；

方案二：采用集成數(shù)字電路實現(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，然后利用單片機內(nèi)部定時器的計數(shù)功能，對脈沖進(jìn)行計數(shù)，計算單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)，然后通過單片機內(nèi)部的程序算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容值，最后利用單片機的IO完成對顯示器的顯示驅(qū)動。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)生定時時間，時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)頻率基礎(chǔ)信號，頻率為100Kz的脈沖，當(dāng)定時一開始，閘門開通，被測脈沖通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到定時時間結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在定時時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，則脈沖的個數(shù)N為電容容量的值。

方案確定：

通過上面對兩種硬件實現(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，不會出現(xiàn)宕機的情況。綜合考慮本次設(shè)計選擇方案二作為系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)方案。

系統(tǒng)的總體方案框圖如下：

單元電路設(shè)計

供電電路設(shè)計：

供電電路是一個電子設(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)計的多路防盜報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)換成脈動的直流電壓，然后通過濾波電路將脈動的直流電壓轉(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)計中變壓器的變比選擇為10:1，這個變比可以保證，當(dāng)輸入端的電壓為220V時，變壓器的輸出端電壓為22V左右。

目前電子設(shè)計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。因為整流橋可以將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，但是通過仿真和實踐可以知道，轉(zhuǎn)換后整流橋輸出的直流電壓存在較大的脈動，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)計中選擇集成穩(wěn)壓芯片LM7805，組成集成穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)5V直流電壓的輸出。

基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路

為了實現(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)行計數(shù)。所以基準(zhǔn)脈沖在電容測試儀中是十分重要的一個參數(shù)。本次設(shè)計選用555定時器產(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定時器的3腳產(chǎn)生一個頻率為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)計中利用555定時器設(shè)計的單穩(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定時器的3腳輸出一個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數(shù)電路實現(xiàn)對基準(zhǔn)信號的計數(shù)。

為了達(dá)到精準(zhǔn)測量的目的本次設(shè)計采用分量程測量的方式。實現(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)電路中的電阻來實現(xiàn)；另外一種方法是改變基準(zhǔn)脈沖信號；本次設(shè)計中選擇方法一，即改變單穩(wěn)電路的門控周期。

計數(shù)電路

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

顯示驅(qū)動電路

如圖所示為本次設(shè)計的數(shù)字電容測試儀的顯示驅(qū)動電路。顯示驅(qū)動電路的主要作用是對計數(shù)電路的計數(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)計采用74LS273觸發(fā)器對計數(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，此時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，此時測量的范圍為1nF-100nF，在該量程測量的電容值比實際的電容值小1nF。

電源仿真圖

審核編輯：劉清