阐释电流基于数字式电流监测系统

摘要：以定时器555为核心，连接构成多谐振荡器及单稳态触发器而测量电容的测量系统，其精度可以达到0.1%。系统由多谐振荡器、定时电路、微分电路、译码器和数码显示器及电源部分组成。
关键词：数字式 555定时器 译码器LED数码管
数字式电流监测系统研究是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容Cx。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻、电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容Cx的容值范围。而单稳态触发器的输出脉宽是根据电容值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精确度可以达到0.1%。在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使输出电压V0与被测量的电容值呈线性关系。将输出电压V0输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入到LED数码管中显示出来。
1 、设计原理框图
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系统由多谐振荡器、定时电路、微分电路、译码器和数码显示器及电源部分组成。

2、 设计原理

利用单稳态触发器或电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度Tx严格与Cx成正比。只要把脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，即得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字N即是被电容Cx的大小。这种设计不仅比较容易实现，而且还可以扩展量程，更重要的是设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。

3、 多谐振器工作原理

多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于■Ucc，Uo输出高电平，V1截止，电源Ucc通过R1、R2给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要■Ucc■Ucc， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于■Ucc时，RS触发器置1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为：T=（R1+2R2）Coln2。
4 、时钟与控制信号
当被测电容 Cx接到电路中之后，只要按一下开关S，电源电压Vcc 经微分电路C1、R1和反向器，送给555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平.该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数.暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx.然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比。如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。
由于利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx严格与 Cx成正比。因此，只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示，这个时侯，如果时钟脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示器显示的数字N便是Cx的大小。
测量值用数码管显示及单位的确定，对不同的转换方法所得的结果有不同的测量方法。如将电容容量转换为电压，则可通过AD转换电路，将模拟电压转换为数字电压，再接至数码管显示。而频率的测量则可用计数器计数来实现，通过计算参数使待测电容与计数值满足某一函数关系，通过这个函数关系可表示出待测电容的大小。而测脉冲宽度法事实上与测频率法相同，脉冲作为门控信号，与时钟脉冲发生器产生的固定频率相“与”，待测电容容量越大，脉冲宽度越宽，则相“与”后产生的计数脉冲越多，再按照测频率法的方法就可以测量出待测电容的容量。

5、 芯片555功能

555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。

6、结果分析

通过上面两个数值的测量，可以得出此数字电容测试仪的设计是正确的，可以比较准确的测量出一个待测电容的电容值，并且能够将误差控制在很小的范围内。只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。
经过调试，发现当被测电容容量在1μF到100μF之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01μF到1μF之间时，测量值误差较大，并且显示方面也出现了一点问题。但被测电容要求在0.01μF到100μF之间，为此，在原电路基础上我们进行了改进，由于Tx=1.1RCx，当Cx在0.01μF到1μF之间时，只要将R扩大100倍，那么Tx将与Cx在1μF到100μF时一样，即Tx在两种情况下大小相等，于是只要增加一个小量程档，就能有效地解决这个问题。
该测量仪达到了基本的技术指标，能够较精确的测量0.01uF至100uF范围内的电容。但是由于量程较小，在实际生活中存在使用的局限性。不过同样可以在原电路上增强其指标，比如改变单电路中积分常数中的电阻值可以改变其量程。
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