利用Multisim設(shè)計(jì)電容測(cè)量電路(共14頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)進(jìn)入高科技時(shí)代，而以電子元件組成的電器在生活中被運(yùn)用的越來(lái)越廣泛，大至航空航天技術(shù)，小到手機(jī)、電子手表等等。而這些電器都是由一些電容、電阻等元器件組成。特別是電容在這些電路中的作用，因此電容的大小的測(cè)量在電容使用過(guò)程中必不可少，測(cè)量電容的大小的辦法也越來(lái)越多，并且多樣化、高科技化。當(dāng)然，測(cè)量的結(jié)果應(yīng)該保持較高的精確度和穩(wěn)定性，不僅如此，還應(yīng)兼顧測(cè)量速度快等要求。目前應(yīng)用比較普遍的方法有電橋法測(cè)電容、容抗法測(cè)電容、基于NE555的RC充放電原理等等，而此次課程設(shè)計(jì)采用的是基于NE555的RC沖放電原理。用2片NE555芯片分別接成

2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，將待測(cè)電容接入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，將電容的大小轉(zhuǎn)換成一定的脈沖寬度，在這個(gè)脈沖寬度內(nèi)的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)、鎖存后用數(shù)碼管顯示出來(lái)。因此可以直接計(jì)算出待測(cè)電容的大小，并且達(dá)到精確度比較高（±10%）、測(cè)量數(shù)值較為穩(wěn)定，量程可控制（0.2uF20uF）的要求，而且所設(shè)計(jì)的電路比較簡(jiǎn)易，所用的都是一些常用的元器件，電路連接簡(jiǎn)單不繁雜。本設(shè)計(jì)報(bào)告由方案論證、電路設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、結(jié)論、性價(jià)比、課程設(shè)計(jì)體會(huì)及合理和建議等部分組成，另外還附有參考文獻(xiàn)、總電路圖和元器件清單。二、方案論證本設(shè)計(jì)方案采用的是基于NE555的RC充放電原理的脈沖寬度測(cè)量法，本設(shè)

3、計(jì)的主要由測(cè)量電路、計(jì)數(shù)鎖存電路和顯示電路三部分構(gòu)成。測(cè)量電路核心就是由2片555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器組成，計(jì)數(shù)電路由3片74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器和2片74LS273構(gòu)成的鎖存器組成，顯示電路由3片內(nèi)部自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管（DCD_HEX）組成。脈沖寬度測(cè)量法的系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在待測(cè)電容上的充放電的規(guī)律，將電容的大小轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的脈沖寬度，再將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號(hào)和多諧振蕩器的輸出信號(hào)一起接入一個(gè)與門，與門的輸出信號(hào)中脈沖寬度內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)通過(guò)3片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后輸入到2片鎖存器，最后由鎖存器輸入到自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管，數(shù)碼顯示管所顯示的數(shù)值就

4、是脈沖個(gè)數(shù)。由于初始相位不定和傳輸?shù)臅r(shí)間差等原因，第一個(gè)顯示的數(shù)字并不是準(zhǔn)確的脈沖個(gè)數(shù)，而準(zhǔn)確的數(shù)值大小為顯示穩(wěn)定后的數(shù)值。由于本方案大多采用的是數(shù)字元器件，因此對(duì)外界的干擾信號(hào)有著很強(qiáng)的抵抗能力，而用容抗法測(cè)電容由于采用許多模擬元器件，只要外界存在有一定強(qiáng)度的干擾信號(hào)，就會(huì)使測(cè)量結(jié)果發(fā)生較大的改變。不僅如此，外界的溫度也會(huì)對(duì)模擬元器件產(chǎn)生很大的影響，而在實(shí)際生活中的多外界環(huán)境不如在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。采用本方案的設(shè)計(jì)電路則可以大大的減少上述條件對(duì)電路測(cè)量的影響，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確度，適用于大多數(shù)環(huán)境。圖1 系統(tǒng)功能框圖本設(shè)計(jì)由于是采用計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)，經(jīng)鎖存器鎖存后輸入數(shù)碼管進(jìn)行顯示，省去了信號(hào)直接的轉(zhuǎn)

5、換，使相對(duì)誤差減小。三、電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)包括了兩大部分，總電路圖見(jiàn)附錄I?？紤]到實(shí)際生活中的需要，因此設(shè)計(jì)了能將日常生活用電轉(zhuǎn)換成5V的直流電，轉(zhuǎn)換電路圖如圖2。圖2 5V直流電流源這個(gè)電路將日常生活所用的電經(jīng)過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波后，輸出的電壓為穩(wěn)定的5V直流電，將此輸出的電壓為電路中所有元器件提供穩(wěn)定的電流。第二大部分又分為三個(gè)小部分，分別是測(cè)量電路部分、計(jì)數(shù)鎖存電路部分以及顯示電路部分。首先是測(cè)量電路部分，電路圖如圖3所示，此部分由2片555定時(shí)器連成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器組，上面的555定時(shí)器為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，下面的為多諧振蕩器。多諧振蕩器3端輸出的單位脈沖信號(hào)作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2

6、端的輸入信號(hào)。圖中為待測(cè)電容，接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中。由于電容的充放電，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)脈寬與待測(cè)電容大小成正比的脈沖信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)非門后作為鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)。而多諧振蕩器的輸出單位脈沖信號(hào)和單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)與門后作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 圖3 測(cè)量電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)的脈寬計(jì)算公式如下：當(dāng)值固定時(shí)，與的大小成正比。越大，在時(shí)間內(nèi)通過(guò)與門的脈沖數(shù)就越多，數(shù)碼管所顯示的數(shù)字就越大。多諧振蕩器的振蕩周期的計(jì)算公式如下：考慮到設(shè)計(jì)要求中量程為0.2uF20uF,令為0.2uF。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3端輸出信號(hào)和多諧振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)與門后的信號(hào)滿足：經(jīng)過(guò)整理得： 適當(dāng)?shù)倪x

7、取、和的值，使，則數(shù)碼管所顯示的數(shù)值為與的比值。這樣我們就可以直接計(jì)算出的大小了。例如，當(dāng)待測(cè)電容為1uF時(shí)，多諧振蕩器輸出信號(hào)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào)、非門輸出信號(hào)、與門輸出信號(hào)如圖4所示。圖4 待測(cè)電容為1uF時(shí)各輸出信號(hào)波形上圖中的波形自上至下分別為單穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)、非門輸出信號(hào)、多諧振蕩器輸出信號(hào)、與門輸出信號(hào)。其次是計(jì)數(shù)鎖存電路部分，本部分電路圖如圖5所示。圖5 計(jì)數(shù)鎖存電路 計(jì)數(shù)器74LS160N是一個(gè)同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，上升沿有效。其管腳圖如圖6所示。圖6 74LS160N管腳圖其中A、B、C、D端接地，QAQD為輸出端連接鎖存器的輸入端，RCO為進(jìn)位輸出端，ENP、ENT為計(jì)數(shù)控

8、制端，LOAD為同步并行置入端，CLR為異步清零端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。其功能真值表如表1所示，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表2所示。表1 74LS160功能真值表CLKCLRLOADENPENT工作狀態(tài)×0×××清零10××預(yù)置數(shù)×1101保持×11×0保持1111計(jì)數(shù)表2 74LS160狀態(tài)轉(zhuǎn)換表計(jì)數(shù)順序電 路 狀 態(tài)等效十進(jìn)制數(shù)進(jìn)位輸出QAQBQCQD00000001000110200102030011304010040501015060110607011170810008091001901010100

9、1多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)與門后，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。計(jì)數(shù)控制端都接高位，由圖4可知單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào)處于高電平，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖寬度后清零端輸入為低電平，計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào)重新為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器又從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，以此一直循環(huán)。因此計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)值為一個(gè)固定的值。本設(shè)計(jì)方案中，由于量程為0.2uF20uF,因此要計(jì)數(shù)的數(shù)值將達(dá)上百，因此用3片74LS160N連成計(jì)數(shù)可以從0到999的電路。將第一片的進(jìn)位輸出端連接到第二片的計(jì)數(shù)控制端，而第二片的進(jìn)位輸出端連接到第三片的計(jì)數(shù)控制端以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鎖存器74L

10、S273是一個(gè)8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，其是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，管腳圖如圖7所示。圖7 74LS273N管腳圖功能表如表3所示。表3 74LS237功能表輸 入輸出CLRCLKDQ0××011110010×保持前態(tài)其中D1D8為輸入端，連接計(jì)數(shù)器；Q1Q8為輸出端，連接數(shù)碼管；CLR為主清除端，低電平觸發(fā)，即當(dāng)輸入為低電平是，芯片被清除，輸出全為0；CLK為鎖存控制端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)CLK輸入信號(hào)從低電平到高電平時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)芯片，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)將被鎖存，不論輸入端D1D8數(shù)據(jù)如何改變，輸出端Q1Q8數(shù)據(jù)不變，從而達(dá)到鎖存功能。因此CLR接高電平，

11、使鎖存器一直處于工作狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號(hào)通過(guò)非門后的輸出信號(hào)作為鎖存器的鎖存信號(hào)，其目的是在計(jì)數(shù)器在一個(gè)脈沖寬度時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)后，清零之前將數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，以此達(dá)到顯示的數(shù)字呈穩(wěn)定狀態(tài)。最后的顯示電路由3片自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管組成，其管腳圖如圖8所示。圖8 數(shù)碼顯示管用3片數(shù)碼顯示管分別顯示個(gè)位、十位和百位的數(shù)值。數(shù)碼管顯示的數(shù)值是經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，鎖存器鎖存后的數(shù)值。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào)的脈沖寬度固定且多諧振蕩器輸出信號(hào)的頻率不變，因鎖存器鎖存的數(shù)一直為固定值，固數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)不變。四、性能測(cè)試 首先是對(duì)5V電流源電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路如圖9所示，仿真數(shù)據(jù)如圖10所示，其測(cè)試數(shù)據(jù)

12、如表4所示。圖9 電源測(cè)試電路圖10 5V電壓源輸出波形圖表4 5V電壓源測(cè)試數(shù)據(jù)表頻率（HZ）阻值（M）電壓（V）103500.4975.004其次是對(duì)總電路分別用2uF、4uF、6uF、8uF、10uF、12uF、14uF、16uF、18uF和20uF電容作為待測(cè)電容進(jìn)行測(cè)試，選其中3個(gè)電容進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下，相對(duì)誤差的計(jì)算公式為：相對(duì)誤差 = | 測(cè)試值- 真實(shí)值 |/真實(shí)值。測(cè)試電容為2uF時(shí)顯示的數(shù)值如圖11所示，各輸出波形如圖12所示。圖11 測(cè)試電容為2uF時(shí)顯示的數(shù)值圖12 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設(shè)計(jì)的原理，得出測(cè)試結(jié)果為1.8uF，相對(duì)誤差為10%

13、，符合設(shè)計(jì)要求。測(cè)試電容為8uF時(shí)顯示的數(shù)值如圖13所示，其個(gè)輸出波形如圖14所示。圖13 測(cè)試電容為8uF時(shí)顯示的數(shù)值 圖14 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設(shè)計(jì)的原理，得出測(cè)試結(jié)果為8.4uF，相對(duì)誤差為5%，符合設(shè)計(jì)要求。 測(cè)試電容為20uF時(shí)顯示的數(shù)值如圖15所示，各輸出波形如圖16所示。圖12 測(cè)試電容為20uF時(shí)顯示的數(shù)值圖16 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設(shè)計(jì)的原理，得出測(cè)試的結(jié)果為20.2uF，相對(duì)誤差為1%，符合設(shè)計(jì)要求。將上述3個(gè)測(cè)試結(jié)果和其它7個(gè)數(shù)據(jù)記入下表：表5 所有測(cè)試數(shù)據(jù)待測(cè)電容（uF）實(shí)際測(cè)量（uF）相對(duì)誤差21.810%

14、43.85%65.83.3%88.45%1010.44%1212.43.3%1413.62.8%1615.62.5%1817.62.2%2020.21%五、結(jié)論 當(dāng)待測(cè)電容接入電路后，在2秒左右即可顯示出數(shù)值。而且當(dāng)電容取0.2uF到20uF時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)值應(yīng)該是000到100中的一個(gè)值。相對(duì)誤差是一直存在的，避免不了，因?yàn)閿?shù)據(jù)的傳輸以及器件的反應(yīng)都需要消耗一定的時(shí)間。本方案所設(shè)計(jì)的電路不足之處就是測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生的相對(duì)誤差雖然在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，但是相對(duì)誤差的變化較大，一部分是器件本身和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，另一部分?yīng)該是多諧振蕩器與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器沒(méi)有選用一組合適的電阻值。有時(shí)候待測(cè)電容為某個(gè)特定

15、的值時(shí)，產(chǎn)生了比較大的誤差，這個(gè)誤差產(chǎn)生的原因應(yīng)該是元器件之間產(chǎn)生了某種影響。還有一個(gè)現(xiàn)象就是在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的一個(gè)脈沖寬度內(nèi)單位脈沖個(gè)數(shù)比數(shù)碼管顯示的個(gè)數(shù)多一，這個(gè)現(xiàn)象應(yīng)該是由于鎖存時(shí)間過(guò)早造成的，理論上只要接入延時(shí)電路，而且這個(gè)延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)該控制在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)，否則會(huì)造成更大的誤差。不過(guò)總的來(lái)說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。六、性價(jià)比本設(shè)計(jì)采用的555定時(shí)器、74LS160、74LS273、與門、非門和數(shù)碼顯示管組成，測(cè)量精度達(dá)到0.2uF，量程可以從0.2uF到1999.8uF。測(cè)量的數(shù)值可以直接用數(shù)碼顯示管顯示出來(lái)，直觀而且穩(wěn)定電路基本上由數(shù)字元件組成，因此對(duì)于外界環(huán)境存在的影響抵抗

16、能力比較大，因此性能較用容抗測(cè)量法完善。由于科技的發(fā)展，市場(chǎng)上各種中規(guī)模集成芯片售價(jià)也較為低廉，而且質(zhì)量可以得到保障。價(jià)格方面，目前市場(chǎng)上555定時(shí)器芯片的售價(jià)大概是1.52元，74LS160的售價(jià)大概是1元，74LS237的價(jià)格11.5元，數(shù)碼管大概是22.5元，非門1元，與門1元，所以整個(gè)電路造價(jià)并不是很高，但性能卻不低，而且電路所占的空間很小，是性價(jià)比較高的一直設(shè)計(jì)。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議經(jīng)過(guò)一個(gè)多星期的課設(shè)，掌握了很多課本以外的知識(shí)，也發(fā)現(xiàn)了很多不足之處。如何將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到某種效果，有許多不同的方法，但是各個(gè)方法又有許多

17、不同之處，因此還要考慮這個(gè)方法對(duì)整個(gè)電路會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。還有就是元器件選擇的問(wèn)題，例如555定時(shí)器芯片就有4種左右，每一種在主要的特征上都是相同的，但是一些小細(xì)節(jié)上又有不同。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)需求去尋找相應(yīng)的資料也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，資料的尋找方法有很多，可以網(wǎng)上尋找，也可以去圖書館尋找相關(guān)的資料，這就要求我們應(yīng)具有很強(qiáng)的自學(xué)能力。其實(shí)關(guān)于設(shè)計(jì)課題的建議，個(gè)人認(rèn)為設(shè)計(jì)方向應(yīng)該著重與實(shí)際生活中，使設(shè)計(jì)實(shí)際化、多方面化。參考文獻(xiàn)1 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年2 童詩(shī)白、華成英編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年3 高吉祥編.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).M北京：電子工業(yè)出版社, 2002 4 陳明義編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程.M湖南：中南大學(xué)出版社，2002 5 崔瑞雪編.電子技術(shù)動(dòng)手實(shí)踐.M北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 20076 李秀人編.電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo).M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20067 周立清編.全國(guó)大學(xué)生電視設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程.M北京：電子工業(yè)出版社，20118 周立清編.Multisim&Ulyiboard10