基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開的基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，包括依次連接的基準脈沖發(fā)生電路、閘門控制和脈沖計數(shù)電路及七段鎖存譯碼與顯示電路，閘門控制和脈沖計數(shù)電路上還連接有時間轉換電路，閘門控制和脈沖計數(shù)電路還通過鎖存開關信號與七段鎖存譯碼與顯示電路相關聯(lián)，閘門控制和脈沖計數(shù)電路中兩個MC14553芯片相互級聯(lián)，譯碼與顯示電路中包括兩個CD4543譯碼器和兩個三位七段數(shù)碼管，從而實現(xiàn)了六位數(shù)字的計數(shù)和顯示。本實用新型基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，實現(xiàn)了電容器數(shù)值的多量程、高精度測量，不僅解決了三位數(shù)字電容表小檔讀數(shù)不準的問題，而且降低了測量誤差，提高了測量精度。
【專利說明】基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于儀器儀表測量【技術領域】，具體涉及一種基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表。
【背景技術】
[0002]近年來，各種測試測量儀器和儀表在國內的需求量每年都以超過30%的速度在快速增長，其中高精度電容表需求的增長速度更為突出。傳統(tǒng)測量電容的方法主要采用模擬電路形式，電路環(huán)節(jié)多，容易受零漂、溫漂的影響，尤其對小電容的測量，更難保證測量精度。鑒于此，目前多采用數(shù)字化方法測量電容值，這就涌現(xiàn)出了各種類型的數(shù)字電容表。數(shù)字電容表是測量電容器電容值的專用儀表，設計多量程、高精度的數(shù)字電容表對實現(xiàn)電路參數(shù)的準確測量、性能的有效分析以及故障的正確診斷具有重要意義。作為一種有效的電容測量方法，充電法是把待測電容轉換成與其電容量值成正比的單穩(wěn)時間作為基本原理來實現(xiàn)電容測量的。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是提供一種基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，解決現(xiàn)有充電法數(shù)字電容表測量精度不高、誤差較大和量程選擇類型較少的缺點。
[0004]本實用新型所采用的技術方案是，基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，包括依次連接的基準脈沖發(fā)生電路、閘門控制和脈沖計數(shù)電路及七段鎖存譯碼與顯示電路，閘門控制和脈沖計數(shù)電路上還連接有時間轉換電路，閘門控制和脈沖計數(shù)電路還與七段鎖存譯碼與顯示電路相連接，閘門控制和脈沖計數(shù)電路中兩個MC14553芯片相互級聯(lián)，七段鎖存譯碼與顯示電路中包括兩個⑶4543譯碼器和兩個三位七段數(shù)碼管，實現(xiàn)了六位數(shù)字的計數(shù)和顯示。
[0005]本實用新型的特點還在于，
[0006]其中的閘門控制和脈沖計數(shù)電路中，C6接電源VCCJf C5、C6并聯(lián)后接入第一片IC4的10腳/13腳，C7串聯(lián)在3腳、4腳之間，8腳、11腳接地，16腳接電源VCC;同時，C5、C6的并聯(lián)電路外接電阻RlO后接地，3腳接第二片IC4的4腳，10腳/13腳接第二片IC4的10腳，14腳接第二片IC4的12腳，第二片IC4的8腳、11腳接地，16腳接電源VCC0
[0007]其中的七段鎖存譯碼與顯示電路中，IC3的6腳、7腳、8腳接地，9腳?14腳分別通過R13?R19接到第一個三位數(shù)碼管的a?g端，16腳接電源VCC。第一個三位數(shù)碼管的左、中、右三部分連在一起后與第二個三位數(shù)碼管的左端相連，第一個數(shù)碼管的中間端接第二個數(shù)碼管的中間端，第一個數(shù)碼管的右端接第二個數(shù)碼管的右端，三極管Tl的發(fā)射極接C0M1、基極接電阻R27、集電極接地；三極管T2的發(fā)射極接COM2、基極接電阻R28、集電極接地；三極管T3的發(fā)射極接COM3、基極接電阻R29、集電極接地。第二個三位數(shù)碼的a?g端分別通過限流電阻R20?R26連接到第二片IC3的9腳?14腳，第二片IC3的6腳、7腳、8腳接地，而它的I腳與第一片IC3的I腳相連，16腳接電源VCC。[0008]本實用新型的有益效果是:實現(xiàn)了電容器數(shù)值的多量程、高精度測量，不僅解決了三位數(shù)字電容表小檔讀數(shù)不準的問題(即只能讀到較大電容值的余數(shù)，干擾了正常數(shù)值的讀取)，而且降低了測量誤差，提高了測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本實用新型基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表的結構示意圖；
[0010]圖2是時間轉換電路原理圖；
[0011]圖3是基準脈沖發(fā)生電路原理圖；
[0012]圖4是閘門控制和脈沖計數(shù)電路原理圖；
[0013]圖5是七段鎖存譯碼與顯示電路原理圖。
[0014]圖中，1.基準脈沖發(fā)生電路，2.閘門控制和脈沖計數(shù)電路，3.七段鎖存譯碼與顯示電路，4.時間轉換電路。
【具體實施方式】
[0015]本實用新型基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表的結構，如圖1所示，包括依次連接的基準脈沖發(fā)生電路1、閘門控制和脈沖計數(shù)電路2及七段鎖存譯碼與顯示電路3，閘門控制和脈沖計數(shù)電路2上還連接有時間轉換電路4，閘門控制和脈沖計數(shù)電路2還與七段鎖存譯碼與顯示電路3相連接。
[0016]如圖2所示，時間轉換電路4中，ICIAl腳、2腳相連，通過開關Kla在電阻R3?R6中選擇不同阻值的電阻，此電阻與Rl并聯(lián)在4腳和14腳。Rl通過反向器、與非門連接到6腳，ICIA的3腳處接C2后與7腳相連，待測電容Cx連在I腳/2腳與7腳之間，按鍵AN與R2、C1構成閉合回路，經過與非門連接到6腳。
[0017]如圖3所示，基準脈沖發(fā)生電路I是一個無穩(wěn)多諧振蕩器，該電路中IClB的8腳/12腳連接C3后接地，且8腳/12腳通過開關Klb在R7?Rll中選擇不同數(shù)值的電阻，并將其串聯(lián)在9腳，10腳接電源VCC，11腳連接C4后接地。
[0018]如圖4所示，閘門控制和脈沖計數(shù)電路2中，C6接電源VCCJf C5、C6并聯(lián)后接入第一片IC4的10腳/13腳，C7串聯(lián)在3腳、4腳之間，8腳、11腳接地，16腳接電源VCC。同時，C5、C6的并聯(lián)電路外接電阻RlO后接地，3腳接第二片IC4的4腳，10腳/13腳接第二片IC4的10腳，14腳接第二片IC4的12腳，第二片IC4的8腳、11腳接地，16腳接電源VCC0
[0019]如圖5所示，七段鎖存譯碼與顯示電路3中，IC3的6腳、7腳、8腳接地，9腳?14腳分別通過R13?R19接到第一個三位數(shù)碼管的a?g端，16腳接電源VCC。第一個三位數(shù)碼管的左、中、右三部分連在一起(節(jié)點為C0M1、COM2、COM3)后與第二個三位數(shù)碼管的左端相連，第一個數(shù)碼管的中間端接第二個數(shù)碼管的中間端，第一個數(shù)碼管的右端接第二個數(shù)碼管的右端。三極管Tl的發(fā)射極接C0M1、基極接電阻R27、集電極接地；三極管T2的發(fā)射極接COM2、基極接電阻R28、集電極接地；三極管T3的發(fā)射極接COM3、基極接電阻R29、集電極接地。第二個三位數(shù)碼的a?g端分別通過限流電阻R20?R26連接到第二片IC3的9腳?14腳，第二片IC3的6腳、7腳、8腳接地，而它的I腳與第一片IC3的I腳相連，16腳接電源VCC。
[0020]AN表示按鍵，IC1A、IClB表示NE556芯片，IC3表示CD4543芯片，IC4表示MC14553BCP芯片，Cx表示電容，Kla, Klb表示開關，R1-R29表示電阻器，C1-C7表示電容，T1-T3表示三極管。
[0021]本實用新型的工作原理是:
[0022](I)在時間轉換電路4中，按下AN鍵后，IClA (NE556芯片)的5腳輸出一個正向窄脈沖，這個正向窄脈沖持續(xù)的時間就是電容Cx (代表待測電容器的電容值)從O充電到2/3VCC所需要的時間。
[0023]根據(jù)電容充/放電時間公式可得電容Cx從O充電到2/3VCC所需時間為T$ = (R3~R6) X Cx X In ((VCC-O) / (VCC-2/3VCC)) = (R3 ~R6) X Cx X 1η3 ~1.1 X (R3 ~R6) XCx.(I)
[0024]當開關Kla分別接到電阻器R3、R4、R5、R6上時，R的值分別取10MW，100KW，IOKff和 IKffo
[0025](2)對于基準脈沖發(fā)生電路1，假設9腳(OUTPUT腳)最開始輸出為低電平，這個低電平反饋回8腳和12腳。由于8腳變?yōu)榈碗娖?，所以觸發(fā)IClB的9腳輸出高電平，因此電容C3開始充電；當C3充電到2/3Vcc時，觸發(fā)9腳輸出低電平，這樣電容C3又開始放電，當放電到1/3VCC時，又會觸發(fā)9腳輸出高電平。隨后，C3又開始充電，如此循環(huán)進行下去，C3就在l/3Vcc和2/3Vcc之間往復地充放電，9腳輸出周期性的方波。
[0026]綜上可知，9腳輸出方波的周期(基準周期)就是電容C3從l/3Vcc充電到2/3Vcc的時間加上從2/3Vcc放電到l/3Vcc的時間之和。
[0027]根據(jù)電容充/放電時間關系式可得:
[0028]T 基=(R7 ~R11) X C3 X In ((VCC-1/3VCC) / (VCC-2/3VCC))
[0029]+(R7 ~R11) XC3Xln((0-2/3VCC)/(0_l/3VCC)) (2)
[0030]=(R7 ~R11) XC3Xln4 ^ 1.4X (R7 ~R11) XC3
[0031]在C3固定的情況下，通過量程開關Klb，對(R7~R9)、R10、R11的不同選擇，可以得到llyS、l.1msUlms的三個基準脈沖信號。根據(jù)上式推算出的結果，可以求出(R7~R9)、R10、R11的阻值分別為1.671ΚΩ、167.1KΩ和1.671ΜΩ。在實際電路中，阻值的大小可能會有一定的偏差，所以我們選用2ΚΩ、200ΚΩ和2ΜΩ的電位器，然后進行適當?shù)恼{節(jié)，最終借助示波器得到標準的基準脈沖信號。
[0032](3)閘門控制和脈沖計數(shù)電路2中，IC4是MC14553BCP芯片。按下圖2時間轉換電路中的AN鍵，待測電容開始充電，時間轉換電路中IClA的5腳輸出單穩(wěn)高電平。IC4的13腳得到一個上升脈沖，計數(shù)器清零；IC4的10腳加上了一個單穩(wěn)低電平信號，計數(shù)器使能；然后，IC4開始對12腳輸入的脈沖進行計數(shù)。脈沖的個數(shù)=I^TS。
[0033]T基=11 μ s 時，脈沖的個數(shù)=1.1X (R3 ~R6) XCx/ΙΙμ S= (R3 ~R6)CxX1(T7s ;
[0034]T基=1.1ms 時，脈沖的個數(shù)=1.1X (R3 ~R6) XCx/1.1ms= (R3 ~R6)CxX l(T3s ;
[0035]T基=Ilms 時，脈沖的個數(shù)=1.1X (R3 ~R6) XCx/llms= (R3 ~R6) CxX l(T4s。
[0036]選用表1中的數(shù)據(jù)來滿足如上要求(表中R7~Rll的值是通過示波器調試出相應的脈沖周期后測得的實際電路中的電阻值，與理論值相比偏小了一些。表中的R3~R6是在Cx分別等于“I倍率”時，計算出來的數(shù)值)。 [0037]表1電阻-倍率對應表
[0038]
【權利要求】
1.基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，包括依次連接的基準脈沖發(fā)生電路(I)、閘門控制和脈沖計數(shù)電路(2)及七段鎖存譯碼與顯示電路(3)，閘門控制和脈沖計數(shù)電路(2 )上還連接有時間轉換電路(4)，閘門控制和脈沖計數(shù)電路(2 )還與七段鎖存譯碼與顯示電路(3)相連接，其特征在于，所述的閘門控制和脈沖計數(shù)電路(2)中兩個MC14553芯片相互級聯(lián)，所述的七段鎖存譯碼與顯示電路(3)中包括兩個⑶4543譯碼器和兩個三位七段數(shù)碼管，實現(xiàn)了六位數(shù)字的計數(shù)和顯示。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，其特征在于，所述的閘門控制和脈沖計數(shù)電路(2)中，C6接電源VCC，將C5、C6并聯(lián)后接入第一片IC4的10腳/13腳，C7串聯(lián)在3腳、4腳之間，8腳、11腳接地，16腳接電源VCC ;同時，C5、C6的并聯(lián)電路外接電阻RlO后接地，3腳接第二片IC4的4腳，10腳/13腳接第二片IC4的10腳，14腳接第二片IC4的12腳，第二片IC4的8腳、11腳接地，16腳接電源VCC。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于單穩(wěn)電路的多量程高精度數(shù)字電容表，其特征在于，所述的七段鎖存譯碼與顯示電路(3)中，IC3的6腳、7腳、8腳接地，9腳?14腳分別通過R13?R19接到第一個三位數(shù)碼管的a?g端，16腳接電源VCC。第一個三位數(shù)碼管的左、中、右三部分連在一起后與第二個三位數(shù)碼管的左端相連，第一個數(shù)碼管的中間端接第二個數(shù)碼管的中間端，第一個數(shù)碼管的右端接第二個數(shù)碼管的右端，三極管Tl的發(fā)射極接COM1、基極接電阻R27、集電極接地；三極管T2的發(fā)射極接COM2、基極接電阻R28、集電極接地；三極管T3的發(fā)射極接COM3、基極接電阻R29、集電極接地。第二個三位數(shù)碼的a?g端分別通過限流電阻R20?R26連接到第二片IC3的9腳?14腳，第二片IC3的6腳、7腳、8腳接地，而它的I腳與第一片IC3的I腳相連，16腳接電源VCC。
【文檔編號】G01R27/26GK203759133SQ201420034534
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】孫強, 馬志國, 王世千 申請人:西安理工大學