电容ESL测量

概况

• 一、搭建背景
• 二、实验要求
• 三、设计思路和方案选择
• 四、所需电子器件及简单原理说明
• 五、multisim14仿真实现
• 六、实际实验室搭建展示
• 七、总结与反思

一、搭建背景

电子实验期末考试：单人线抽签1.5h内完成，双人线搭建一个电容测量仪3h内完成。

二、实验要求

1.能检测电路测量电容大小，测量范围是100pF~0.047uF。

2.测量值用数码管显示，范围000~999。

3.测量时间小于1s。

4.相对误差小于10%。

5.用multisim进行仿真。

6.写出实验报告。

三、设计思路和方案选择

1. 将待测电容构成555多谐振荡电路，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跟电容值成正比。
2. 用这个高电平时间T1=0.7*（R1+R2）*Cx 作为一个时间窗，在这个时间窗内，对标准脉冲信号进行“与”运算，通过设置相关的参数，让“与”后得到的脉冲的个数等于需要显示的电容的值，最后把脉冲的个数输入到LS161，就能显示待测电容值。

符号说明：

T1，T2，T 分别为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、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：

555脉冲和标准脉冲相“与”后得到

高电平中标准脉冲的个数：
N=T1 * fs 即 0.7*（R1+R2）* Cx * fs

选择适当的电阻和标准频率，使得0.7*（R1+R2）*fs =1 ，则N=Cnum，最后把这N个脉冲输入给74LS161，译码器，数码管就能显示Cnum了。

计算例子：

例1：
C=200pf ，Cnum=200
T1=0.7*（R1+R2）* fs Cnum * 10^-12 F (秒)
高电平时间窗脉冲个数：
N=T1fs 即N=0.7*（R1+R2）*Cnum * 10^-8 * Cnum=Cnum
这里我设置让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)
高电平时间窗脉冲个数：
N=T1fs 即N=0.7（R1+R2）*Cnum 10^-8Cnum=Cnum
这里我还设置让R1+R2=2MΩ，算得fs大约是714hz

从例子可知，要改变量程时，改变电阻值或者fs都可以，由于试验箱电阻类型少，但是频率好更改，我选择的是改变fs达到更改量程的目的。

聪明的同学注意到，我们只需要一个高电平内的标准脉冲数，但是555多谐振荡器是能产生矩形脉冲波的自激电路，不需要外加触发信号，就能一直产生脉冲矩形波，那如何得到一个高电平内的标准脉冲数呢？

这时候我们就需要一个“控制开关”，当接收到第二个高电平信号的时候，就让数码管停止显示。这个开关就是LS161，它的“保持”作用，下文会简单的介绍一下555定时器和74LS161

四、所需电子器件及简单原理说明

1.555定时器

2.74LS161计数器

3.BS311201七段数码管（内部含CD4511译码器）

4.与门，与非门

1.555多谐振荡定时器：

前面提到：555多谐振荡定时器是能产生矩形波的自激振荡器。在接通电源后，不需要外加触发信号，就能自动产生矩形脉冲波。

具体是如何自激产生的，想深入的同学可以点击下面的连接

这里只讲述简单的运用：

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)
由于波形图可知T1=13.92 ms近似等于14 ms

74LS161计数器：
作用1.输出数字信息，让数码管显示对应数字

作用2.当作“开关”，让555输出一个高电平就保持显示

我这里只说重要的功能，并且按照我的理解简单描述出来：

1脚是“Clear”，也就是清零，低电平有效

2脚是时钟脚，也就是输入脉冲的地方，上升沿触发

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，范围0~15

数字显示功能（我用的是“异步清零”的方法）：

CP接收的脉冲的个数，也就是输出的值Qd\Qc\Qb\Qa。

举个例子，假如输入10个脉冲 ，最后Qd\Qc\Qb\Qa的二进制值为1010（最高位的Qd）,最后再连接数码管（内置CD4511译码器），就能显示10。 重点：如果我们想采用十进制计数，让数码管从0-9然后清零，只让Qb、Qd两个引脚接一个与非门，当Qb、Qd=1的时候，与非门输出0，最后输入给“clr”引脚实现清理功能。

数字保持功能（也就是开关功能）：

由于我们前文提到只需要一个高电平，所以我们到第二个上升沿的时候就让 74LS161保持当前的计数值，实际上后面555还会继续发生矩形波，但是计数值已经保持了，也就是记录的是到一个高电平内的脉冲数。

我用的是异步清理，还要同步置数的功能，同时还有其他引脚这里就不介绍了，想深入了解74LS161的同学可以参考下面的链接，写的非常详细：

顺带期末复习555单稳态触发器，它和555的区别是需要外加激励触发（负跳变的时候）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、实际实验室搭建展示

270uf 电容测量

![在这里插入图片描述](100 pf电容测量

七、总结与反思

仿真和实验过程中遇到的问题有：

1. 理论计算求出的fs ，如果直接用的话可能会跟实际显示的电容值有一定的差距，仿真和实际做实验的时候，需要根据情况调节实际的fs（这也是是为什么我选择调节fs换挡的原因），当数码管显示的值=Cnum的时候，同时试试其他的电容值，如果偏差较小说明设置的fs合理。
2. 仿真的时候，示波器或者仿真的速度很慢，需要对multisim14进行一些参数设置，具体参照下面的连接：