[畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]簡(jiǎn)易數(shù)字電容表設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目: 簡(jiǎn)易數(shù)字電容表設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：成 績(jī)：學(xué) 校： 2011年 11月目 錄1 摘要32 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求33 系統(tǒng)所需元器件34 方案論證44.1 方案一44.2 方案二74.3 最終方案95 數(shù)字電容表各模塊電路設(shè)計(jì)及說(shuō)明105.1元器件選擇說(shuō)明105.2脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)145.3電容計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)155.4顯示電路設(shè)計(jì)166 數(shù)字電容工作原理及設(shè)計(jì)電路167 protues仿真測(cè)試 208 硬件調(diào)試與測(cè)試249 結(jié)論 2510 收獲、體會(huì)2511參考文獻(xiàn)25（簡(jiǎn)易數(shù)字電容表設(shè)計(jì)）1 摘要 在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,各種電子儀器層出不窮

2、,也日益的完善,乃至完美.大電容測(cè)量?jī)x亦是如此,品種繁多,功能完善.下面所設(shè)計(jì)的是一種精度較高，操作簡(jiǎn)便的電容測(cè)量?jī)x。此電容表設(shè)計(jì)是基于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容c成正比，把電容c轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門(mén)信號(hào)控制計(jì)數(shù)器計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的個(gè)數(shù)，并送鎖存-譯碼-顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)1.5倍行距2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（1）利用給定的元器件設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量并顯示電容容值大小的數(shù)字電容表；（2） 用3位數(shù)碼管顯示；（3） 測(cè)量范圍100pf105pf，誤差小于10% 。（4）在計(jì)算機(jī)上用multisim仿真優(yōu)化。（5）在萬(wàn)能板(孔孔板)上安裝、調(diào)試。3系統(tǒng)所需元器件1、 cd

3、4511 三塊2、 cd4093 一塊3、 ne555 兩塊4、 共陰數(shù)碼管 3個(gè)5、 10k滑動(dòng)變阻器1個(gè)6、 電阻：470兩個(gè)、10一個(gè)、250一個(gè)7、 電容：0.1uf四個(gè)、100pf兩個(gè)、1m三個(gè)、6.5m一個(gè)8、 cd4518 三塊4方案論證 方案一本方案可分為三大部分：產(chǎn)生脈沖部分；：計(jì)數(shù)部分；：顯示部分；：產(chǎn)生脈沖部分使用兩片ne555產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖和待測(cè)脈沖,根據(jù)參考ne555的資料說(shuō)明設(shè)計(jì)了如下圖的電路：1、標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路圖：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖圖像：2、待測(cè)脈沖產(chǎn)生電路圖：產(chǎn)生待測(cè)脈沖圖像：參考公式： 計(jì)算高電位時(shí)間公式：t1=0.693(r1+r2)c1;計(jì)算低電位時(shí)間公式：t2

4、=0.693r2c1;計(jì)數(shù)脈沖周期公式：t=t1+t2；通過(guò)這三個(gè)公式，改變電容電阻的值即可改變波形大小及占空比。：計(jì)數(shù)部分計(jì)數(shù)部分選用三片cd4518來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。同時(shí)還需要考慮對(duì)mr清零處理，這也是部分的關(guān)鍵之一。根據(jù)參考cd4518的資料說(shuō)明以及查閱相關(guān)圖書(shū)電路設(shè)計(jì)了如右圖的電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能：設(shè)計(jì)對(duì)mr的清零處理時(shí)花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)清零最終目的其實(shí)就是要在一個(gè)待測(cè)周期開(kāi)始計(jì)數(shù)前產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)清零，然后一直為低電位直到下一個(gè)周期脈沖開(kāi)始為止的脈沖輸入信號(hào)。如下圖：為了實(shí)現(xiàn)上圖所示的脈沖信號(hào)，我們采用了rc微分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將待測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)rc微分電路后即可形成。具體

5、電路及清零脈沖輸出波形如下：顯示部分顯示部分我們采用了三片cd4511分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)七段數(shù)碼管，這樣做的優(yōu)點(diǎn)就是數(shù)碼管不存在分時(shí)點(diǎn)亮的問(wèn)題，缺點(diǎn)是實(shí)際線路變得比較復(fù)雜。與此同時(shí)，還有一個(gè)非常重要的難題就是控制如何控制led的顯示。我們通過(guò)查閱閱讀相關(guān)資料，總結(jié)出只要控制cd4511的le端的輸入脈沖可以解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)脈沖信號(hào)的圖像如下：接下來(lái)就要考慮如何產(chǎn)生這個(gè)脈沖信號(hào)，我們用的是rc微分電路結(jié)合cd4093與非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體分析是：將待測(cè)脈沖輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)與非門(mén)的兩個(gè)輸入端，相當(dāng)于通過(guò)了一個(gè)非門(mén)，這樣實(shí)現(xiàn)了高低電位的反轉(zhuǎn)。之后將通過(guò)非門(mén)后的脈沖信號(hào)接入到rc微分電路中，獲得上升沿脈沖，最

6、后將其接到另一個(gè)與非門(mén)中就得到了需要的脈沖信號(hào)。具體電路圖如下：產(chǎn)生脈沖信號(hào)波形如下：完成了以上三部分的設(shè)計(jì)，方案一就基本成型。方案二本方案也可分為三大部分：產(chǎn)生脈沖部分；：計(jì)數(shù)部分；：顯示部分；：產(chǎn)生脈沖部分采用集成度相對(duì)較高點(diǎn)的ne556,ne556實(shí)質(zhì)上是兩片ne555的集合，因此，在原理上并沒(méi)有太多差異，只是接口標(biāo)號(hào)不同而已。這里就不再贅言。：計(jì)數(shù)部分：計(jì)數(shù)部分采用一片mc14553來(lái)完成。區(qū)別于用cd4511，mc14553使用更加方便，功能也有所增加。不過(guò)，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)mr的清零處理也要相應(yīng)的改變。具體電路圖如下：顯示部分為了配合mc14553，我們采用了一片cd4511和三個(gè)七段數(shù)

7、碼管以及mc14553的三個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮使能位集合起來(lái)來(lái)完成。這種方法最顯著的特點(diǎn)就是數(shù)碼管的分時(shí)點(diǎn)亮，需要考慮點(diǎn)亮?xí)r間間隔，以保證人眼能準(zhǔn)確讀取數(shù)值。具體電路圖如下以上就是方案二。最終方案：經(jīng)過(guò)本小組長(zhǎng)時(shí)間的討論，反復(fù)實(shí)踐檢驗(yàn)，我們最終選擇第一種方案作為最終方案。理由有如下幾點(diǎn)：（一）：方案一相對(duì)于方案二雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，元器件使用比較多。但實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便，也便于控制調(diào)整。（二）：對(duì)于二個(gè)核心問(wèn)題：1、mr清零；2、le顯示；我們發(fā)現(xiàn)用第一套方案能較為簡(jiǎn)單快速實(shí)現(xiàn)，這也是選擇這套方案的主要原因。（三）：對(duì)于數(shù)碼管顯示而言，第二套方案種的分時(shí)點(diǎn)亮還存在點(diǎn)亮間隔過(guò)程導(dǎo)致讀書(shū)不完整的結(jié)果。而第一套方案數(shù)

8、碼管是一直點(diǎn)亮，不存在這樣的問(wèn)題。5數(shù)字電容表各模塊電路設(shè)計(jì)及說(shuō)明5.1元器件選擇說(shuō)明1、ne5551.只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。2.它的操作電源電壓范圍極大，可與ttl，cmos等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。3.其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。5.靜態(tài)電流 最大值 vcc = 5 v, rl = =6ma vcc =15 v, rl = =15ma采用如圖所示的接線方式我們得到了我們所需的脈沖和比較脈沖。

9、2、cd4518cd4518，該ic是一種同步加計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為17和915。該計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路bcd碼信號(hào)輸出（3腳6腳；11腳14腳）。cd4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端cp和en，若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)由cp輸入，此時(shí)en端應(yīng)接高電平“1”，若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，信號(hào)由en端輸入，此時(shí)cp端應(yīng)接低電平“0”，不僅如此，清零（又稱復(fù)位）端cr也應(yīng)保持低電平“0”，只有滿足了這些條件時(shí)，電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，若不滿足則ic不工作。另外，該cd4518無(wú)進(jìn)位功能的引腳電路在第十個(gè)脈沖作用下，會(huì)自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)

10、，第6腳或第14腳將輸出下降沿的脈沖，利用該脈沖和en端功能，就可作為計(jì)數(shù)的電路進(jìn)位脈沖和進(jìn)位功能端供多位數(shù)顯用。3、cd4511 cd4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極led顯示器的譯碼器，具有bcd轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的cmos電路能提供較大的拉電流，可直接驅(qū)動(dòng)led顯示器。鎖存功能：譯碼器的鎖存電路由傳輸門(mén)和反相器組成，傳輸門(mén)的導(dǎo)通或截止由控制端le的電平狀態(tài)。當(dāng)le為“0”電平導(dǎo)通，tg2截止；當(dāng)le為“1”電平時(shí)，tg1截止，tg2導(dǎo)通，此時(shí)有鎖存作用。譯碼：cd4511譯碼用兩級(jí)或非門(mén)擔(dān)任，為了簡(jiǎn)化線路，先用二輸入端與非門(mén)對(duì)輸入數(shù)據(jù)b、c進(jìn)行組合，然后將輸入的數(shù)據(jù)a、

11、d一起用或非門(mén)譯碼。消隱：bi為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使b端輸出為低電平，字形消隱。4、cd4093 cd4093是cd系列數(shù)字集成電路中的一個(gè)型號(hào)，采用cmos工藝制造。cd4093 4與非門(mén)施密特觸發(fā)器由4個(gè)施密特觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有一個(gè)2輸入與非門(mén)。當(dāng)正極性或負(fù)極性信號(hào)輸入時(shí)，觸發(fā)器在不同的點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。正極性(vp)和負(fù)極刑(vn)電壓的不同之處由遲滯電壓(vh)確定。5.2脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)：課程設(shè)計(jì)提供了兩種可以產(chǎn)生脈沖的芯片：ne555和ne556。其實(shí)質(zhì)是一樣的。在ne555或ne556的產(chǎn)品說(shuō)明中已經(jīng)為我們提供了幾種能產(chǎn)生脈沖的電路。我們也就只需要參照其來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證即可

12、。并且也提供了詳細(xì)的公式為我們調(diào)整脈沖參數(shù)帶來(lái)很大的方便。我們最終采用兩片ne555，其中一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)志脈沖，另一個(gè)則參數(shù)待測(cè)電容的脈沖。具體電路圖如下：圖的上部分為標(biāo)準(zhǔn)脈沖的產(chǎn)生機(jī)理，下部分為待測(cè)脈沖的接線原理5.3 電容計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)電容計(jì)數(shù)選用三片cd4518來(lái)完成。同時(shí)還需要考慮對(duì)mr清零處理，這是設(shè)計(jì)的核心之一。根據(jù)參考相關(guān)的資料說(shuō)明以及查閱相關(guān)圖書(shū)電路設(shè)計(jì)了如右圖的電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能：cd4518為十進(jìn)制的同步計(jì)數(shù)器，用三片4518分別計(jì)數(shù)是為了給后面譯碼顯示的模塊降低難度，4518分別控制一片4511，這樣工作原理簡(jiǎn)單明了，控制過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況，也不用考慮對(duì)數(shù)的鎖存，對(duì)

13、設(shè)計(jì)帶來(lái)的很大的方便。這個(gè)模塊是顯示模塊的前提，如果該模塊出了問(wèn)題，即使顯示模塊的功能是正確的也不能實(shí)現(xiàn)所需功能。所以在制作過(guò)程中得仔細(xì)，因?yàn)樵撃K的接線也比較復(fù)雜。調(diào)試過(guò)程中也給我們很多的提示。5.4顯示電路設(shè)計(jì)為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字 系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七字符顯示器，或稱做七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。常見(jiàn)的七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。半導(dǎo)體數(shù)碼管bs201的的每個(gè)線段都是一個(gè)發(fā)光二極管（led）。因此，也把它叫做led數(shù)碼管或led七段顯示器。發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管不同，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度很高。當(dāng)外加正電壓時(shí)，大

14、量的電子和空穴在擴(kuò)散的過(guò)程中復(fù)合，其中一部分電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，便發(fā)出一定可見(jiàn)光。另一種常用的七段字符顯示器是液晶顯示器，簡(jiǎn)稱lcd。液晶是一種既有液體流動(dòng)性又有光學(xué)特性的有機(jī)化合物。它的透明度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場(chǎng)的影響，利用這一點(diǎn)便可作成字符顯示器。液晶顯示器的最大優(yōu)點(diǎn)就是功耗極小。半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用ttl或cmos集成電路直接驅(qū)動(dòng)。為此，就需要使用顯示譯碼器將bcd代碼譯成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以便使數(shù)碼管用十進(jìn)制數(shù)字顯示出bcd代碼所表示的數(shù)值。相關(guān)參數(shù)計(jì)算1、矩形脈沖相關(guān)計(jì)算（參數(shù)按下圖）：計(jì)算高電位時(shí)間公式：t1=0.693(r1+

15、r2)c1;計(jì)算低電位時(shí)間公式：t2=0.693r2c1;計(jì)數(shù)脈沖周期公式：t=t1+t2；6數(shù)字電容工作原理及設(shè)計(jì)電路（一）工作原理：兩片ne555分別產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖和待測(cè)脈沖，標(biāo)志脈沖接入到cd4518同步加計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于待測(cè)脈沖的周期長(zhǎng)度正好與待測(cè)電容值成正比，所以不同的待測(cè)電容有不同的待測(cè)脈沖。而待測(cè)脈沖集合rc微分電路以及cd4093與非門(mén)正好可以用來(lái)控制mr的清零和le的顯示功能?？傮w上而言，就是要產(chǎn)生如下的四組脈沖信號(hào)：（二）電路圖整體框圖7、protues仿真測(cè)試第一檔位：讀寫(xiě)需乘以10測(cè)試電容為10000pf測(cè)試電容為100pf測(cè)試電容為500pf測(cè)試電容為3200pf

16、待添加的隱藏文字內(nèi)容1測(cè)試電容為8500pf第二檔位：讀寫(xiě)需乘以100測(cè)試電容為30000pf測(cè)試電容為75000pf8 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試使用的主要儀器和儀表；示波器、萬(wàn)用表、5v直流電壓源調(diào)試電路的方法和技巧；排除干擾法，逐一檢查法測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與計(jì)算結(jié)果比較分析。測(cè)試470pf,顯示048，及480pf，誤差為2%測(cè)試3300pf,顯示363，及3630pf，誤差為10%實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。1、 接觸不良2、 引腳接線錯(cuò)誤3、 焊接過(guò)程中，接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致芯片燒壞4、 地線與電源線之間容易短路，故障排除方法:1插上電源線與地線看是否能啟動(dòng)，排除短路

17、的可能。2看數(shù)碼管是否正常顯示，數(shù)碼管顯示正常，說(shuō)明4511譯碼顯示部分沒(méi)有錯(cuò)誤。3 用示波器觀察555輸出的波形，如果波形正確則555部分沒(méi)有問(wèn)題，如出現(xiàn)錯(cuò)誤則說(shuō)明引腳接線錯(cuò)誤或是焊接過(guò)程中芯片損壞4如果以上部分均無(wú)錯(cuò)誤，則說(shuō)明4518出現(xiàn)錯(cuò)誤。故障解除方法：1檢查出如果是接線錯(cuò)誤或是引腳接錯(cuò)則重新焊接接線。 2檢查如果是輸出波形不對(duì)或是無(wú)法正常顯示則換相應(yīng)的芯片。9 結(jié)論本次設(shè)計(jì)基本完成（在誤差范圍內(nèi)），設(shè)計(jì)制作的一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字電容表。在制作的過(guò)程中，遇到了很多的問(wèn)題，同時(shí)也學(xué)到了很多，也懂得了如何與同學(xué)團(tuán)結(jié)合作共同完成任務(wù)。設(shè)計(jì)初期，通過(guò)查閱各種芯片的資料和簡(jiǎn)易數(shù)字電容的工作原理，初步確定

18、了制作方案。制作方案確定后開(kāi)始了仿真，仿真過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，也正是不斷的解決這些問(wèn)題，制作的方案才日漸成熟。在仿真已經(jīng)成型并且實(shí)現(xiàn)的誤差不大時(shí)，我們便開(kāi)始了硬件部分的制作，剛開(kāi)始以為硬件部分的制作應(yīng)該會(huì)很快而且不會(huì)有很大問(wèn)題，可是結(jié)果卻恰恰相反。當(dāng)我們信心滿滿的開(kāi)始焊接時(shí)才發(fā)現(xiàn)焊接的過(guò)程是很重要的，也是會(huì)很容易出問(wèn)題的，一旦引腳接錯(cuò)就不能實(shí)現(xiàn)功能，而且檢查起來(lái)也會(huì)比較困難。果然，第一次焊接好的實(shí)物是個(gè)失敗品，不能實(shí)現(xiàn)功能，而且外行業(yè)不能入目。無(wú)奈，我們又得重新焊接。最終在前一次經(jīng)驗(yàn)和后一次的更加仔細(xì)，認(rèn)真檢查中做出來(lái)了。這更加證明了理論與實(shí)踐的差別。實(shí)踐的過(guò)程中喲偶很多外界的干擾和誤差，這

19、個(gè)是在理論中沒(méi)法考慮到的。10 收獲與體會(huì)收獲： 深入了解了制作所用的那幾款芯片的功能、引腳接線、工作原理，特別是對(duì)555的研究，雖然數(shù)字電路中友講過(guò)它的工作原理和用法，但是也還不是很了解，在制作過(guò)程中才真正理解了，理論聯(lián)系實(shí)踐能更好的幫助我們學(xué)習(xí)?；菊莆樟嗽O(shè)計(jì)不同功能的單元電路以及他們的安裝和調(diào)試方法，知道了在電路設(shè)計(jì)中要基于單元電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)具有不同用途和一定工程意義的電子裝置。在這過(guò)程中不僅深化了我們所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)了獨(dú)立分析與解決問(wèn)題的能力。訓(xùn)練了嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和學(xué)習(xí)態(tài)度，給以后從事電子電路設(shè)計(jì)和研制電子產(chǎn)品大下初步基礎(chǔ)。懂得了如何以團(tuán)隊(duì)的形式去完成一件作品，在幾個(gè)人一起努力去完成一件事的時(shí)候是會(huì)出現(xiàn)一些意見(jiàn)不和等等，但是大家擁有共同目標(biāo)，有討論才有進(jìn)步，而且這種也可以說(shuō)是一種共同進(jìn)步，共同學(xué)習(xí)吧。體會(huì)：剛拿到課題時(shí)很迷茫，不知道該如何下手，經(jīng)過(guò)老師的講解還有查閱相關(guān)資料，對(duì)數(shù)字電容表的工作原理有了大概的了解。之后就開(kāi)始著手看所用的各種芯片的資料，并開(kāi)始在proteus中進(jìn)行仿真。