電容測量儀設(shè)計(jì)

1、江 蘇 師 范 大 學(xué) 科 文 學(xué) 院本 科 生 課 程 設(shè) 計(jì)課 程 名 稱： 電子線路綜合課程設(shè)計(jì) 題 目： 電容測量儀的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級(jí)： 13電信2 學(xué) 生 姓 名： 彭振華 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 128326220 日 期： 2015年6月 指 導(dǎo) 教 師： 楊增汪 科文學(xué)院教務(wù)部印制一、課程設(shè)計(jì)目的、任務(wù)和內(nèi)容要求：目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進(jìn)行測量。 由于測

2、量電容方法多并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計(jì)是在參考555定時(shí)器基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計(jì)方案。是嘗試用555定時(shí)器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，通過定時(shí)并且計(jì)數(shù)可以計(jì)算出被測頻率再通過該頻率計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。 具體設(shè)計(jì)任務(wù)如下： 1熟悉電容測量儀的工作原理； 2寫出電容測量儀的設(shè)計(jì)方案；3用硬件加以實(shí)現(xiàn)；4寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電容測試儀。要求：1測量范圍為1uF100uF；2測量結(jié)果用2位數(shù)字顯示；3測量誤差小于20%。 二、進(jìn)度安排：第3天： 查找資料，熟悉簡易數(shù)字式電容測量儀的設(shè)計(jì)原理，給出設(shè)計(jì)總體方案；第46天： 各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)；第712天： 硬件連線，調(diào)試；第13

3、14天：寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。三、主要參考文獻(xiàn)：1 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 第2版，北京：高等教育出版社， 1986. 2427. 2 楊興瓊，張益清，楊震緒.新編實(shí)用電子電路500例M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.1012. 3 蔣立平.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.4 劉修文主編，新編電子控制電路300例，北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2006出版. 5 陳有卿，葉桂娟.555時(shí)基電路原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2007.6 林濤、楚巖、田莉娟、林薇、編著數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社.2006.1目錄摘 要 IIAbstract II1 引言. 1

4、1.1 設(shè)計(jì)背景及意義 11.2電研究容測試儀的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀12 設(shè)計(jì)方案簡述 .22.1 設(shè)計(jì)目的.2 2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 . 22.3 方案論證及可行性分析 .2 3 詳細(xì)設(shè)計(jì).43.1 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器 .4 3.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.43.3 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路.53.4 總電路圖.64 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析.74.1 設(shè)計(jì)結(jié)果 .7 4.2 電路的調(diào)試.75總 結(jié) .7 5.1整體評(píng)估.75.2 心得體會(huì).7參考文獻(xiàn) .9摘 要現(xiàn)數(shù)字電容測量儀是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。現(xiàn)在常用的測量方法是電容表法和充放電法。 本設(shè)計(jì)使用一個(gè)555定時(shí)器，搭建

5、成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路和多諧震蕩器，兩者相與后作為控制脈波接入計(jì)數(shù)器；在固定周期內(nèi)采用74ls90對(duì)計(jì)數(shù)波計(jì)數(shù)，并使用譯碼器，將數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示出來。 關(guān)鍵詞： 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 多諧震蕩器 計(jì)數(shù)器 譯碼器Abstract the digital capacitance measuring instrument is indispensable to the computer, communications equipment, audio video and other scientific research and production. Now the common meas

6、urement method is capacitance meter method and charging and discharging method. This design uses a 555 timer, build a monostable trigger circuit and the multivibrator, two phase and as the control pulse access counter; 74ls90 is used to count the wave count in the fixed period, and use the decoder,

7、the data in the digital tube display.Keywords： 555 monostable multivibrator counter decoder1.概述 1.1設(shè)計(jì)背景及意義 目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小。因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進(jìn)行測量。 由于測量電容方法多并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計(jì)是在參考555定時(shí)器基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計(jì)方案。

8、是嘗試用555定時(shí)器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，通過定時(shí)并且計(jì)數(shù)可以計(jì)算出被測頻率再通過該頻率計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。 1.2電容測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 當(dāng)今電子測試領(lǐng)域，電容測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進(jìn)步，特別是通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對(duì)國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機(jī)，加上各級(jí)政

9、府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動(dòng)力和機(jī)遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。2.系統(tǒng)概述 圖1 數(shù)字電容測試儀的原理框圖該系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、測量控制電路、計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器等部分組成。其原理圖如圖1所示。2.1 設(shè)計(jì)目的（1） 掌握簡易數(shù)字式電容測試儀的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法；（2） 熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理；（3） 學(xué)習(xí)基本理論

10、在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟；（4） 進(jìn)一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應(yīng)用；（5） 學(xué)習(xí)數(shù)字電路仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電容測試儀；（2） 測量范圍為1uF100uF；（3） 測量結(jié)果用2位數(shù)字顯示；（4） 測量誤差小于20%。2.3方案論證與可行性分析在設(shè)計(jì)之初我查閱了大量的資料，進(jìn)行了全面的考察，結(jié)合我們所學(xué)的知識(shí)，我進(jìn)行了以下的方案論證及可行性分析：2.3.1恒壓充電法測量1用一個(gè)電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對(duì)電容進(jìn)行充電，然后根據(jù)電容充電的曲線超過某個(gè)固定電壓所需要的時(shí)間，利用曲線擬合

11、的方法測量。測量所使用的原始公式是：?？梢婋娙莸闹岛碗妷阂约皶r(shí)間呈微分關(guān)系。用這種方法測量，時(shí)間和容值是非線性的。因此測量難度高，精度低，并且難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。2.3.2恒流充電法測量2用恒流源對(duì)電容充電，此時(shí)電容的容量和充電時(shí)間是成正比的，所以可以利用AD或者比較功能同某個(gè)固定電壓比較，來實(shí)現(xiàn)電容測量。測量所用的原始公式是：。恒流源的電流大小是已知的，時(shí)間和電壓也可以測量出來。由上面的公式即可求得電容的大小。使用這種方法來測量，精度較上一種方法有所提高，且便于操作和實(shí)現(xiàn)。但要使用恒流源，恒流源的的設(shè)計(jì)要求很高，且達(dá)不到測量所需要的精度要求，因此這種方法也不適用。2.3.3用脈沖計(jì)數(shù)法測量電容3

12、利用NE555電路的多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)電路來測量。本方案采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度TX 嚴(yán)格CX 成正比. 只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時(shí)鐘脈沖相與，便可得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后再送給顯示器顯示. 如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字N 便是CX 的大小. 該方案的原理框圖如圖2 所示。反向器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器顯示窄脈沖觸發(fā)器秒脈沖發(fā)生器譯碼器鎖存器記數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)記數(shù)脈沖圖2 脈沖計(jì)數(shù)法測電容流程圖2.3.4可行性分析通過以上方案的比較，選擇了第三種設(shè)計(jì)方案。此方案是對(duì)555定時(shí)器與各集成芯片應(yīng)用的一

13、個(gè)成果，由此來掌握中大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)及使用方法。簡易數(shù)字式電容測試儀主要分為六大板塊：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器、555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、CC4511構(gòu)成的數(shù)碼顯示譯碼與鎖存器、共陰極數(shù)碼管、電阻電容構(gòu)成的微分電路。3.各部分電路設(shè)計(jì)3.1時(shí)鐘脈沖發(fā)生器4由于電容測試儀對(duì)精度要求不高，因此時(shí)鐘脈沖發(fā)生器可以用555定時(shí)器和RC定時(shí)元件組成。電路如圖所示。其振蕩周期可以用以下式子計(jì)算：T=0.7(R1+2R2)C1由此可知，調(diào)整R1、R2和C1的參數(shù)可改變時(shí)鐘脈沖的周期，控制端CO對(duì)接地的電容0.01uF用以消除干擾，電位器RW用以調(diào)節(jié)555定時(shí)器內(nèi)部兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電壓，

14、可用于微調(diào)振蕩頻率。圖3 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5電路如圖1下半部分所示。它的主要作用是將被測電容CX容量的大小轉(zhuǎn)化成與之成正比的脈沖寬度。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由定時(shí)器555和RC定時(shí)元件組成。其工作原理如下：測量控制電路由R8、C3、S1和或門組成，主要用于提供單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的負(fù)觸發(fā)脈沖。未加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，OUT1端輸出低電平，使RD2端為低電平，多諧振蕩器停止振蕩。這時(shí)或門G1輸入A點(diǎn)為高電平，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)輸入端TR1也為高電平，電容C3兩端的電壓為0伏。當(dāng)被測電容CX接入電路后，只要按一下測量開關(guān)S1，A點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)尖脈沖，通過或門使觸發(fā)輸入端TR1產(chǎn)生負(fù)跳

15、變，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，這時(shí)輸出OUT1端低電平正跳躍到高電平，其一方面通過C4、R9組成的微分電路及二極管VD輸出的正尖脈沖使其計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)使RD2為高電平，多諧振蕩器開始振蕩，輸出端OUT2輸出的時(shí)鐘脈沖送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)期間，VDD經(jīng)R4對(duì)被測電容CX進(jìn)行充電。當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時(shí)，輸出OUT1端由高電平負(fù)躍到低電平，RD2為低電平，RD2為低電平，多諧振蕩器停止振蕩，計(jì)數(shù)器停止工作。暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度Tw，可用下式進(jìn)行計(jì)算：Tw=1.1R4CX由上式可以看出：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度TW時(shí)間內(nèi)測得的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)與被測電容CX的

16、容量大小成正比。圖4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路3.3計(jì)數(shù)、譯碼和顯示電路63.3.1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器主要用來對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)并送入顯示電路顯示。計(jì)數(shù)器選用74ls90進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡便。74ls48是雙BCD碼同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器包含兩個(gè)時(shí)鐘輸入端：CP和EN。CP用于上升沿觸發(fā)，要求EN=1；EN用于下降沿觸發(fā)，要求CP=0。CR是異步復(fù)位端，高電平有效，正常計(jì)數(shù)時(shí)CR=0。這里，我們要測量的電容范圍是0到99uF，需要兩位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。其級(jí)聯(lián)的方法是將低位的Q3端接高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接地。其輸出端Q3Q2Q1Q0輸出8421BCD碼，接顯示譯碼器的代碼輸入端。電路如圖5所示。圖

17、5 計(jì)數(shù)器電路3.3.2譯碼器電路譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)比較簡單，只需選擇合適的4線-7線顯示譯碼器，并將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼作為顯示譯碼器輸入的代碼，器7段的輸出信號(hào)和七段LED數(shù)碼顯示器相應(yīng)段相連后，則七段數(shù)碼顯示器便顯示相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字。顯示譯碼器選用74ls48，該譯碼器為BCD-七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器，其數(shù)據(jù)輸入端接計(jì)數(shù)器Q3Q2Q1Q0端輸出的BCD碼，譯碼器的輸出端接共陰極七段半導(dǎo)體數(shù)碼顯示器?？刂贫薒T和BI接高電平，LE接低電平，具體接法見圖5。3.4總電路 圖6 總電路的連線圖4.設(shè)計(jì)結(jié)果及分析4.1 設(shè)計(jì)效果接通電路，按下開關(guān)s,數(shù)碼不斷跳數(shù)，最后停止，顯示的電容數(shù)值

18、與被測電容的標(biāo)稱值接近。 表1 測試數(shù)據(jù)測試電容顯示數(shù)值4.7uF0610uF1147uF53100uF11(超過顯示量程)4.2電路調(diào)試按照整機(jī)電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試。計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，不用調(diào)整主要調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器和控制器首先調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復(fù)合設(shè)計(jì)要求用頻率計(jì)檢測電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測波形調(diào)整 電位器，使輸出脈沖頻率約為500HZ，占空比為0。接著調(diào)試控制器將一個(gè)100pF的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測試端，按一下開關(guān)s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖，其脈寬Tx=11RCx，它控制與門使時(shí)鐘脈沖通過并開始計(jì)時(shí)如果顯示器顯示

19、的數(shù)字不是100，則說明時(shí)鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié)R3再重復(fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。5.總結(jié)5.1 整體評(píng)估電路整體功能正常，而且可以達(dá)到題目的基本和擴(kuò)展功能，通過細(xì)致的焊接，模塊之間仔細(xì)的連接調(diào)試，效果的美化，都是盡心盡力了。但是有時(shí)候電路工作不穩(wěn)定。本次的設(shè)計(jì)中的數(shù)碼管亮度不是很夠，而且6、9字樣顯示比較不符合美觀效果。5.2 心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我深刻了解到了理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要性，首先是對(duì)于電路的設(shè)計(jì)，自己的理論知識(shí)太欠缺了，對(duì)于很多芯片的用途和原理都不太了解，以至于無從下手，其次是第一次使用烙鐵焊東西，感覺很是生疏，老是焊錯(cuò)線路，差錯(cuò)比較多，所以在做課程設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)備要充分，查找一定的資料幫助自己更好地理解，最后，我覺得最重要的是課程設(shè)計(jì)的完成離不開大家的互相幫助，遇到不懂得地方要及時(shí)向同學(xué)請(qǐng)教幫助。本次課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺，只有將學(xué)到的理論付之實(shí)踐,才是我們學(xué)習(xí)的最終目的，還有學(xué)習(xí)中要互相幫助，互相學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)1 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 第2版，北京：高等教育出版社， 1986. 2427. 2 楊興瓊，張益清，楊震緒.新編實(shí)用電子電路500例M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.1012. 3 蔣立平.數(shù)字邏輯電路