數(shù)字式電容測試儀20頁

1、 課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱： 電路課程設(shè)計 課程設(shè)計題目： 數(shù)字式電容測試儀 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級： 學(xué)號： 姓名： 評分： 教師： 20 14 年 10 月 12 日 數(shù)字電路 課程設(shè)計任務(wù)書20 14 20 15 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 1 周 4 周 題目數(shù)字式電容測試儀內(nèi)容及要求設(shè)計制作一電容式測試儀【基本要求】 設(shè)計一個能測量電容容量在100pF-100uF之間的測試儀 用3位數(shù)碼管顯示 多測量量程【提高要求】超量程判斷及顯示擊穿電容測試保護進度安排2014.9.1-2014.9.7：布置課題，查閱資料，方案分析并進行電路仿真；2014.9.

2、8-2014.9.23：完成系統(tǒng)的制作、焊接、調(diào)試；2014.9.24-2014.9.28：設(shè)計結(jié)果檢查，完成設(shè)計報告。學(xué)生姓名：指導(dǎo)時間：2014.9.1-2014.9.28指導(dǎo)地點：綜合樓中506任務(wù)下達2014 年 9月 1 日任務(wù)完成2014年 9 月 28 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查2、課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。摘要電容具有隔直流同交流的能力，在電子電路中是十分重要的元件，電容的容值在電路設(shè)計中是一重要因素。由于在使用一段時間

3、后，電容容值與出廠是所標(biāo)注的值有所偏差，這就需要設(shè)計儀器去測量電容容值。傳統(tǒng)的測量方法都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數(shù)，此方法不夠直觀。 本課題主要介紹了數(shù)字電容測量儀的原理和設(shè)計思想。它由測試電路和顯示電路兩部分組成。在測試電路中555定時器做多諧振蕩器，它通過電容配合電阻充放電產(chǎn)生一系列的方波脈沖，通過計數(shù)器記數(shù)算出電容的值，最后通過數(shù)碼管顯示被測電容的容值。 該電容測量儀相對比較直觀，且誤差較小，將在電容測量方面顯示出它讀數(shù)方便，精確的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：測脈法，脈沖，數(shù)顯，電容目錄1、 緒論. 5 1.1.課程設(shè)計的背景. 51.2.課程設(shè)計的內(nèi)容. 51.3.課程設(shè)計

4、的目的. 51.4.課程設(shè)計指標(biāo)與要求. 52、 總體設(shè)計方案. 6  2.1.設(shè)計原理框圖. 6 2.2.方案設(shè)計. 6 2.3.各模板功能簡介. 63、 課程設(shè)計的步驟. 7 3.1.555集成定時器功能表. 7 3.2.多諧振蕩器電路的設(shè)計. 7 3.3.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的設(shè)計. 8 3.4.數(shù)字顯示電路的設(shè)計. 9 3.5.總電路圖的設(shè)計. 10四、電路的調(diào)試. 12五、結(jié)論. 14六、參考文獻.15七、附錄. 16附錄一 數(shù)電元器件清單. 16附錄二 實物圖. 17附錄三 原理圖、仿真圖及PCB版圖. 29一、緒論1.1.課程設(shè)計的背景 很多電子產(chǎn)品中，電容器都是必不可少的

5、電子元件，它在電子設(shè)備中充當(dāng)整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號的旁路、交直流電路的交流耦合等。固定電容的容量可直接從標(biāo)稱容量上讀出，而可調(diào)電容的容量則不確定。傳統(tǒng)的測量方法都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數(shù)，此方法不夠直觀，因此，設(shè)計一個簡易電容測試儀作為測量工具是有必要的。1.2.課程設(shè)計的內(nèi)容 本次課程設(shè)計的內(nèi)容是獨立完成一個數(shù)字電容測試儀的設(shè)計，采用EWB電路仿真設(shè)計軟件完成數(shù)字電容測試儀電路的設(shè)計及仿真調(diào)試，在微機上仿真實現(xiàn)數(shù)字電容測試儀的設(shè)計。 課程設(shè)計具體內(nèi)容：框圖中的外接電容是定時電路中的一部分。當(dāng)外接電容的容量不同時，與定時電路所對應(yīng)的時間也有所不同，即C

6、=f(t)，而時間與脈沖數(shù)目成正比，脈沖數(shù)目可以通過計數(shù)譯碼獲得。1.3.課程設(shè)計的目的 掌握multisim在電子設(shè)計中的仿真，分析，調(diào)試等應(yīng)用。    掌握電容數(shù)字測量儀的設(shè)計組裝與調(diào)試方法。  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1.4.課程設(shè)計指標(biāo)與要求：  指標(biāo)：  (1)被測電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)。  (2)設(shè)計測量量程。 (3)用3位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于20%。 課題任務(wù)要求：  1、畫出總體設(shè)計框圖，以說明數(shù)字電容測試儀由哪些相對獨立的功能模塊組成，標(biāo)出

7、各個模塊之間互相聯(lián)系，時鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。  2、設(shè)計各個功能模塊的電路圖，加上原理說明。  3、選擇合適的元器件，在EWB上連接驗證、仿真、調(diào)試各個功能模塊的電路。在連接驗證時設(shè)計、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的仿真、調(diào)試和故障排除。  4、在驗證各個功能模塊基礎(chǔ)上，對整個電路的元器件和連接，進行合理布局，進行整個數(shù)字鐘電路的連接驗證、仿真、調(diào)試。  5、自行接線驗證、仿真、調(diào)試，并能檢查和發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)原理、現(xiàn)象和仿真結(jié)果分析問題所在，加以解決。學(xué)生要解決的問

8、題包括元器件選擇、連接和整體設(shè)計引起的問題。2、 總體設(shè)計方案2.1.設(shè)計原理框圖圖1、電容測量儀原理框圖2.2.方案設(shè)計  利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器充放電規(guī)律等，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，即控制脈沖的寬度Tx嚴(yán)格與Cx成正比。只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時鐘方波相與，就可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，在顯示器中顯示計數(shù)脈沖的個數(shù)。如果計數(shù)脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示的數(shù)字N便與Cx的大小。之所以選擇該方案是考慮到這個方案不僅設(shè)計比較容易實現(xiàn)，而且必要時還可以擴展量程，更重要的是該方案設(shè)計出來的數(shù)字測試儀測量的結(jié)果比較精確。 2.3.各模塊功能簡介&#

9、160;  控制電路的功能是經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將被測電容轉(zhuǎn)化成寬度與之成正比的單個脈沖。  多諧振蕩器提供標(biāo)準(zhǔn)的時鐘脈沖，以便將單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的脈沖寬度用標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖個數(shù)來表示。  計數(shù)顯示電路顯示單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖寬度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖的個數(shù)。3、 課程設(shè)計的步驟3.1. 555集成定時器功能表 我們給出555集成定時器功能表，如表1： 輸入輸出閾值輸入端6觸發(fā)輸入端2復(fù)位端4輸出端3放電管T端7××00導(dǎo)通<2/3Vcc<1/3Vcc11截止>2/3Vcc>1/3Vcc10導(dǎo)通<2/3Vcc>1/3Vcc

10、1不變不變表1  555集成定時器功能表 3.2多諧振蕩器電路的設(shè)計  振蕩器是數(shù)字電容測量儀的核心，振蕩器的穩(wěn)定度以及其所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定度決定了數(shù)字電容測量儀的準(zhǔn)確度，通常選用石英晶振構(gòu)成振蕩電路。在要求不高的情況下可以選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。  555組成多諧振蕩器的工作原理如下：  接通電源Vcc后，Vcc經(jīng)電阻R1和R2對電容C充電，其電壓UC由0按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC2/3VCC時，電壓比較器C1和C2的輸出分別為UC1=0、UC2=1，基本RS觸發(fā)器被置0，Q=0、Q=1,輸出U0躍到低點平UoL。與此同時，放電

11、管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C放電，Uc下降到Uc1/3Vcc時，則電壓比較器C1和C2的輸出為Uc1=1、Uc2=0，基本RS 觸 發(fā)器被置1，Q=1，Q=0，輸出U0 由低點平UoL躍到高電平UoH。同時，因Q=0，放電管V截止，電源Vcc又經(jīng)過電阻R1和R2對電容C充電。電路又返回前一個暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓Uc將在2/3Vcc和1/3Vcc之間來回充電和放電，從而使電路產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形脈沖。圖2多諧振蕩器波形圖多諧震蕩周T為： T=T1+T2。t1為電容C上的電壓由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的

12、時間，充電回路的時間常數(shù)為R2C。T1可用下式估算     T1=（R1+R2）Cln2（R1+R2）Cln2T2為電容C上的電壓由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的時間，放電回路的時間常數(shù)為R2C。     T2可用下式估算  T2=R2Cln2R2Cln2所以，多諧振蕩器的振蕩頻率周期T為  T=T1+T2（R1+2R2）Cln2振蕩頻率為  f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2） 555構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖3：

13、所設(shè)計的多諧振蕩器電路仿真波形圖如圖4：圖4多諧振蕩器電路仿真波形圖3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的設(shè)計   單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產(chǎn)生波形用于控制計數(shù)，由555定時器組成的單穩(wěn)觸發(fā)器，它既為下級的多諧觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計數(shù)器開始計數(shù)提供信號脈沖。   單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特特性具有如下特點：  第一，它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；  第二，在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動回到穩(wěn)態(tài)； 第三，暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。  在圖6所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

14、器，在電容測試中用作測量控制的，如果開關(guān)J1斷開，則經(jīng)過反相器后，端口2處于高電平，那么穩(wěn)態(tài)時這個555定時電路一定處于Vc1= Vc2=1、Q=0、V0=0的狀態(tài)。通電后電路便自動地停在V0=0的穩(wěn)態(tài)。  當(dāng)開關(guān)J1閉合時，經(jīng)反相器后，端口2處于高電平，使555定時電路Vc2=0，鎖存器被置1，V0跳變成高電平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時TD截止，Vcc經(jīng)R3開始向電容Cx充電。當(dāng)充至Vcx=2/3Vcc時，鎖存器被置0，輸出V0=0狀態(tài)。圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理波形圖 單穩(wěn)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，即 Tw=RCxln3=1.1RCx=&

15、#160;（35）  設(shè)計的電路圖如圖6：圖6 單穩(wěn)觸發(fā)器電路圖單穩(wěn)觸發(fā)器仿真電路的輸出波形如圖7：圖7 單穩(wěn)觸發(fā)器仿真電路的輸出波形圖3.4數(shù)字顯示電路的設(shè)計：  我們采用74LS160作為計數(shù)器，74LS160引腳圖如圖8：圖8 74LS160引腳圖 74LS160的 A、B、C、D為輸入端，QA、QB、QC、QD為輸出端，RCO為進位輸出端，CLK為脈沖輸入（低電平有效），ENP、ENT為計數(shù)制端，CLR為異步清除輸入端（低電平有效），LOAD為 同步并行置入控制端（低電平有效）。  圖9所示的是由3片74L

16、S160組成的異步1000進制計數(shù)器，把個位計數(shù)器的進位輸出端RCO接到十位計數(shù)器的CLK端。第一片每計到9時RCO端輸出變?yōu)楦唿c平，下一個計數(shù)脈沖到達后，第一片計成0狀態(tài)，而第二片計成1，可見，這3片74LS160不是同步工作的。  計數(shù)器的輸出端接到只有四引腳的八段數(shù)碼顯示管上，數(shù)碼管上顯示的數(shù)值即為計數(shù)器所計脈沖的個數(shù)。圖9 計數(shù)器電路圖3.5總電路圖的設(shè)計  上面我們已經(jīng)的到由555組成的多諧振蕩器的振蕩周期為  T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2      為了便于計算，式中取R1=R2，

17、則上式可化為 T=T1+T2=3R1Cln2       計數(shù)器在單穩(wěn)觸發(fā)器高電平時（經(jīng)過反相器變換為低電平后）開始計多諧振蕩器的周期數(shù)，滿足下述關(guān)系式Tw=T，即 =         1.1RCx=N3R1Cln2            若要顯示器直接顯示出Cx的值，則應(yīng)該滿足Cx=N，即=   

18、      1.1R=3R1Cln2 本設(shè)計中，我們通過控制R的大小來設(shè)置倆個不同的檔位，由一個單刀雙擲開關(guān)來 控制。我們?nèi)=1uF，當(dāng)R=1k時測量電容范圍為1uF-100uF,R=100k時測量電容范圍為0.01uF-1uF,通過 計算可得R1=1.1R/(3Cln2)526。  把多諧振搗器的輸出和單穩(wěn)態(tài)控制電路的輸出通過一個與門相與，然后再接到計數(shù)器電路的低位脈沖信號輸入端CLK。這樣數(shù)碼管上顯示的數(shù)值就是被測電容的容值。 總電路圖如圖圖10：圖10 數(shù)字電容測試儀總電路圖脈

19、沖輸入端的仿真波形如圖11：圖11 脈沖輸入端的仿真波形圖四、電路的調(diào)試 首先按照原理在仿真軟件上繪制好圖形，檢查無誤后即可調(diào)試。計數(shù)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)試時鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率符合設(shè)計要求，我們采用用示波器檢測波形進行調(diào)整。 1uF-100uF檔位電路圖調(diào)試如下：  我們將開關(guān)打到R=1k調(diào)試 1uF-100uF檔位，顯示的數(shù)字為被測電容容值大小的R倍，將一個位于1uF-100uF范圍的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測試端，我們以80uF為例，接通開關(guān)S，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈沖寬度為Tw=RCxln3= 1.1R

20、Cx=，它控制與門脈沖使得時鐘脈沖通過開始計時，如果現(xiàn)實的數(shù)字不是80，則說明時鐘脈沖的頻率不符合要求，我們可以調(diào)節(jié)R1的大小重復(fù)上述步驟，直到符合要求為止。經(jīng)過調(diào)試我發(fā)現(xiàn)當(dāng)R1=524時最為合適。調(diào)試結(jié)果如圖12：圖12 1uF-100uF檔位調(diào)試結(jié)果圖誤差計算：(80-80)/100=0%<20%符合要求 0.01uF-1uF檔位電路圖調(diào)試： 我們將開關(guān)打到R=100k測試0.01uF-1uF檔位，調(diào)試同上，以被測電容大小為0.56uF為例，如果現(xiàn)實的數(shù)字不是56，則說明時鐘脈沖的頻率不符合要求，我們可以調(diào)節(jié)R1的大小重復(fù)上述步驟，直到符合要求為止。經(jīng)過調(diào)試我發(fā)現(xiàn)當(dāng)R1=5

21、24時最為合適。調(diào)試結(jié)果如圖13：圖13 0.01uF-1uF檔位調(diào)試結(jié)果圖誤差計算:(0.57-0.56)/100=0.01%<20%符合要求。                                 五、結(jié)論 做課程設(shè)計是為了讓我們對平時學(xué)習(xí)

22、的理論知識與實際相結(jié)合，在理論和實驗教學(xué)基礎(chǔ)上進一步鞏固已學(xué)基本理論以及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學(xué)會將知識應(yīng)用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。   通過這次對數(shù)字電容測量儀的設(shè)計與仿真，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解有關(guān)數(shù)字電容測量儀的原理與設(shè)計理念。剛拿到這個題目，不知道該如何下手，通過查閱資料，和本組成員一起討論以及從網(wǎng)上和圖書館搜集關(guān)于數(shù)字電容測試儀的資料，對其原理有了比較系統(tǒng)的認識，經(jīng)過設(shè)計方案的比較，我們最終決定用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器做時間控制回路，用多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖。  課程設(shè)計開始時，我們嘗試用施密特觸發(fā)發(fā)器做成的多諧振蕩器做脈沖信號發(fā)生器。但是，由于它產(chǎn)生的脈沖信號不夠穩(wěn)定，我們最終選擇了555定時器組成的多諧振蕩器，最后終于成功的達到了設(shè)計所要達到的要求。 回顧此次課程設(shè)計，至今我感慨頗多，我深深地感受到了自己所學(xué)知識的有限。從查閱資料到電路設(shè)計，從理論學(xué)習(xí)到實踐總結(jié)，在整整一個星期的日子里可以說是苦多于甜，但是的確可以學(xué)到很多很多的東西。   這次設(shè)計不僅僅是一次設(shè)計，它不僅鞏固了我以前所學(xué)的知識，還讓我學(xué)到了許多新的知識，知道了如何使用multisim軟件，對一些芯片的功能也有了進一步的了解?？吹阶约涸O(shè)計的電路，我覺得無