數(shù)字式電容測試儀

1、 緒論電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母C表示。顧名思義，電容器就是“儲存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為的極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。不同的電容器儲存電荷的能力也不相同。規(guī)定把電容器外加1伏特直流電壓時所儲存的電荷量稱為該電容器的電容量。電容的基本單位為法拉（F）。電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對電

2、路的性能有重要的影響，本課題就是用數(shù)字顯示方式對電容進(jìn)行測量。本設(shè)計報告共分三部分:第一部分介紹系統(tǒng)設(shè)計；第二部分介紹主要電路及其分析；第三部分為總結(jié)部分。1目 錄1.系統(tǒng)設(shè)計.21.1 設(shè)計目的.21.2 設(shè)計內(nèi)容要求 .21.3 設(shè)計技術(shù)指標(biāo) .21.4 方案論證 .2 1.5 方案確定 .4 2.主要芯片說明. 8 2.1 555定時器 . 8 2.2 4位二進(jìn)制加法計數(shù)器74161 . 10 2.3 4位集成寄存器74 LSl75芯片 . 11 2.4 七段譯碼器74LS47-BCD 芯片 . 123.總電路圖及分析 .13 3.1 總圖 .133.2 參數(shù)選擇及儀表調(diào)試 .143.3

3、 產(chǎn)品使用說明 .143.4 以測待測電容Cx的電容量為例說明電路工作過程及測容原理 .144.各單元電路的設(shè)計與分析. 16 4.1 基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器 . 164.2 啟動脈沖發(fā)生器 . 164.3 Cx轉(zhuǎn)化為Tw寬度的矩形脈沖 .16 4.4 計數(shù)器 .17 4.5 寄存譯碼顯示系統(tǒng) .17 4.6 單位顯示電路.17 5.電路調(diào)試.19 6. 總結(jié).21 附 錄.22 附錄1 元器件清單 .22附錄2 總電路圖 . 23參考文獻(xiàn).241. 系統(tǒng)設(shè)計 1.1設(shè)計目的 （1）掌握數(shù)字電容測量儀的設(shè)計、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 1.2設(shè)計內(nèi)容

4、要求 （1）設(shè)計電容數(shù)字測量儀電路。 （2）組裝、調(diào)試電容數(shù)字測量儀單元電路和整機(jī)系統(tǒng)。 （3）畫出電容數(shù)字測量儀的電路圖，寫出設(shè)計報告 （4）測試方案擬定及測試參數(shù)設(shè)計。 1.3設(shè)計技術(shù)指標(biāo) (1）被測電容的容量在100pf至10000pf范圍內(nèi)。 （2）設(shè)計測量量程。 （3）用四位數(shù)碼管顯示各參數(shù)值，測量誤差1%左右。 （4）用紅、綠色發(fā)光二極管表示單位。 1.4方案論證目前，測量電子元件集中參數(shù)R、L、C的儀表種類較多，方法也各不相同，這些方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。 1.4.1方案一： 像測量R一樣，測量電容C的最典型的方法是電橋法，如圖1.1所示。只是電容C要用交流電橋測量。電橋的平衡條件為

5、圖 1.1通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測參數(shù)。用這種測量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡單電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動測量。 1.4.2方案二：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行顯示。可由555集成定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RCln31.1RC。從式可以看到，當(dāng)R固定時，改變電容C則輸出脈寬tW跟著改變，由tW的寬度就可求出電容的大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓V0取平均值，由于電容

6、量的不同，tW的寬度也不同，則V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到電容C的大小。如果把平均值送到位A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容量的大小。 1.4.3方案三：用阻抗法測R、L、C有兩種實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電壓；用恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。 1.4.4方案四：萬用（Q）表是用諧振法來測量C值如圖1.2。它可以在工作頻率上進(jìn)行測量，使測量的條件更接近使用情況。但是，這種測量方法要求頻率連續(xù)可調(diào)，直至諧振。因此它對振蕩器的要求較高，另外，和電橋法一樣，調(diào)節(jié)和平衡判別很難實(shí)現(xiàn)智能化。 圖1.2 1.4.5

7、方案五： 標(biāo)準(zhǔn)頻率比較法。很多儀表都是把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量?；诖怂枷?，我們把電容C轉(zhuǎn)換成頻率信號f, 轉(zhuǎn)換的原理是555震蕩器的震蕩周期T=0.639(Ra+Rb)C, 周期T與電容的電容量C成正比，通過閘門控制電路控制計數(shù)器，對閘門內(nèi)的脈沖進(jìn)行計數(shù)，并由LED數(shù)碼管顯示出電容量。 1.4.6方案六： 相對于方案五，我們把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為Tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)后再運(yùn)算求出C的值，并送顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tW與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計的知識，把此脈沖作閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，

8、該計數(shù)脈沖送計數(shù)-鎖存-譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。其實(shí)，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量近似地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，頻率f是數(shù)字電路很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。因此本次設(shè)計我們采用此方案。1.5 方案確定 1.5.1設(shè)計思路本設(shè)計中用555震蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計數(shù)器的CP脈沖，也就是標(biāo)準(zhǔn)頻率。同時把待測電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tW與電容C成正比。用這個寬度的矩形脈沖作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，合理處理計數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計數(shù)器的計數(shù)值即為被測電容的容值。或者把此脈沖作閘門時間和

9、標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送計數(shù)-鎖存-譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋紐控制量程的選擇，用計數(shù)器控制電路控制總量程，如果超過電容計量程，則報警并清零。由555定時器組成的多諧振蕩器如圖1.3所示，它既為下一級的單穩(wěn)態(tài)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。 圖1.3 多諧振蕩器電路其工作原理如下：多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓UC略低于 ，Uo輸出高電平，V1截止，電源UCC通過R1、R2 給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行UC逐漸增高，但只要 ， 輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電

10、容C上的電壓UC略微超過 時(即U6和U2均大于等于 時)， RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓Uo從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，V1導(dǎo)通飽和，此時電容C通過R2和V1放電。隨著電容C放電，UC下降，但只要， Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)UC下降到略微低于 時，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其振蕩周期為：工作波形如圖1.4所示。圖1.4 多諧振蕩器波形由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如圖1.5所示，它可以產(chǎn)生占空比一定的脈波，此脈波用來控制計數(shù),其輸出波形如圖1.6所示。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

11、電路后加反相器用來控制74273鎖存計數(shù)值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理如下：（1）穩(wěn)定狀態(tài)沒有加觸發(fā)信號時，輸入為高電平。接通電源后，經(jīng)電阻R對電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容C上的電壓時，輸出。與此同時電容C迅速放完電，不變。 （2）觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，此時，輸出由低電平跳躍到高電平。此時，電源經(jīng)R對C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間內(nèi)輸入電壓回到高電平。（3）自動返回穩(wěn)定狀態(tài)隨著C的充電，電容C上的電壓逐漸增大。當(dāng)上升到時，輸出由高電平跳躍到低電平。與此同時，C迅速放完電，。電路返回穩(wěn)定狀態(tài)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度為暫穩(wěn)態(tài)維持的時間（及占空比），它實(shí)際上為電容C上的電壓由V充到

12、所需的時間，可用下式估算: 式中R和C為外接電阻和電容。 圖1.5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 圖1.6.單穩(wěn)態(tài)電路及輸出波形1.5.2設(shè)計方案該方案的總體方框圖如圖1.7所示。 圖1.7 2.主要芯片說明2. 1 555定時器 圖2.1 555等效功能框圖 如圖2.1為555等效功能框圖中包含兩個COMS電壓比較器A和B，一個RS觸發(fā)器，一個反相器，一個P溝道MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的放電開關(guān)SW，三個阻值相等的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩沖級。三個電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)為上比較器A和下比較器B分別提供2Vcc/3和1Vcc/3的偏置電壓。 定時器的功能主要取決于比較器,比較器A、B的輸出控制著RS觸發(fā)器和三級管sw

13、的狀態(tài),4號管腳(Rd)為復(fù)位端.當(dāng)Rd=0時,輸出Uo=0,sw管飽和導(dǎo)通.此時其他輸入端狀態(tài)對電路清0狀態(tài)無影響。正常工作時，應(yīng)將Rd接高電平。像上面所說的那樣, 當(dāng)控制電壓輸入端5腳懸空時，比較器A、B的基準(zhǔn)電壓分別為2Ucc/3，和Ucc/3。如果5腳ui外接固定電壓，則比較器A、B的基準(zhǔn)電壓為Ui和Ui/2。由圖5可知，若5腳懸空，當(dāng)ui6<2Ucc/3，ui2<Ucc/3時，比較器A、B分別輸出高電平和低電平，即R=1，S=0，使基本RS觸發(fā)器置1，放電三極管截止，輸出u0=1。當(dāng)ui6<2Ucc/3，ui2>3Ucc時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出

14、高電平，即R=1，S=1。 RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)，使u0輸出保持不變。當(dāng)ui6>2Ucc/3，ui2<Ucc/3，比較器C1、C2均輸出低電平，即R=0，S=0。這種情況對于基本RS觸發(fā)器屬于禁止?fàn)顟B(tài)。 圖2.2 555電路結(jié)構(gòu)和引腳圖圖2.2為555時基電路的電路結(jié)構(gòu)和8腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：  1腳：GND(或Vss)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。 8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CM

15、OS型時基電路VCC的范圍為318V。一般用5V。  3腳：OUT（或Vo）輸出端。  2腳：TR低觸發(fā)端。  6腳：TH高觸發(fā)端。  4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。  5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。  7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的

16、放電。電阻分壓器由三個5k的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。    2.2 4位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器74161芯片介紹741

17、61是集成TTL四位二進(jìn)制加法計數(shù)器，其符號和管腳分布分別如圖2.3（a）和（b）所示，表1是74161功能表。7416118169CRCPD0D1D2D3GNDVCCQ3Q2CTTCOQ0Q1CTPLDQ0Q1Q2Q3CTTCTPCPD0D1D2D3RDCOLD74161 （a）符號圖 （b）管腳圖 圖2.3 集成4位二進(jìn)計數(shù)器74LS161表1 74161的功能表清零預(yù)置使能時鐘預(yù)置數(shù)據(jù)輸入輸出工作模式RDLDEP ETCPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q001111×0111× ×× ×0 ×× 01 1&#

18、215;××× × × ×d3 d2 d1 d0× × × ×× × × ×× × × ×0 0 0 0d3 d2 d1 d0保 持保 持計 數(shù)異步清零同步置數(shù)數(shù)據(jù)保持?jǐn)?shù)據(jù)保持加法計數(shù)由表可知，74161具有以下功能： 異步清零。當(dāng)RD0時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，不論有無時鐘脈沖CP，計數(shù)器輸出將被直接置零（Q3Q2QlQ00000），稱為異步清零。 同步并行預(yù)置數(shù)。當(dāng)RD1、LD0時，在輸入時鐘脈沖CP上升沿的

19、作用下，并行輸入端的數(shù)據(jù)d3d2d1d0被置入計數(shù)器的輸出端，即Q3Q2QlQ0d3d2d1d0。由于這個操作要與CP上升沿同步，所以稱為同步預(yù)置數(shù)。 計數(shù)。當(dāng)RDLDEPET1時，在CP端輸入計數(shù)脈沖，計數(shù)器進(jìn)行二進(jìn)制加法計數(shù)。 保持。當(dāng)RDLD1，且0，即兩個使能端中有0時，則計數(shù)器保持原來的狀態(tài)不變。這時，如EP0、ET1，則進(jìn)位輸出信號RCO保持不變；如ET0則不管EP狀態(tài)如何，進(jìn)位輸出信號RCO為低電平0。2.3 4位集成寄存器74 LSl75芯片介紹圖2.4 （a）所示是由D觸發(fā)器組成的4位集成寄存器74LSl75的邏輯電路圖，其引腳圖如圖8（b）所示。其中，RD是異步清零控制端。

20、D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，CP為時鐘脈沖端，Q0Q3是并行數(shù)據(jù)輸出端，是反碼數(shù)據(jù)輸出端。該電路的數(shù)碼接收過程為：將需要存儲的四位二進(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)據(jù)輸入端D0D3，在CP端送一個時鐘脈沖，脈沖上升沿作用后，四位數(shù)碼并行地出現(xiàn)在四個觸發(fā)器Q端。74LS175的功能示于表2中。 （a）邏輯圖 （b）引腳排列圖2.4 4位集成寄存器74LSl75 表2 74LS175的功能表清零時鐘輸 入輸 出工作模式RDCPD0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30111×10× × × ×D0 D1 D2 D3× × × 

21、5;× × × ×0 0 0 0D0 D1 D2 D3保 持保 持 異步清零數(shù)碼寄存數(shù)據(jù)保持?jǐn)?shù)據(jù)保持2.4、七段譯碼器74LS47-BCD 芯片介紹從74161來的信號為十進(jìn)制數(shù)的BCD碼，要將其顯示在數(shù)碼管上，需要經(jīng)過譯碼，譯碼所用的芯片是74LS47-BCD七段譯碼器。芯片圖如下：   半導(dǎo)體數(shù)碼管將十進(jìn)制數(shù)碼分成七個字段，每段為一發(fā)光二極管。半導(dǎo)體數(shù)碼管（或稱LED數(shù)碼管）的基本單元是PN結(jié)，目前較多采用磷砷化鎵做成的PN結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時，就能發(fā)出清晰的光線。單個PN結(jié)可以封裝成發(fā)光二極管，多個PN結(jié)可以按分段式 封裝成半導(dǎo)

22、體數(shù)碼管，其管腳排列如圖2.5所示。74ls49與七段譯碼器的連接如圖2.6： 圖 2.5 圖 2.6 3.總電路圖及分析3.1總圖：由框圖和總電路圖（如圖3.1）可以看到，本數(shù)字電容測試儀由啟動脈沖發(fā)生器、基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器、Cx轉(zhuǎn)化為矩形脈沖系統(tǒng)、計數(shù)一鎖存一譯碼一顯示系統(tǒng)、量程選擇及控制電路和報警系統(tǒng)幾部分組成。另外一個振蕩器設(shè)置無要求。注意電路中有一個微動開關(guān)K4，其功能： 插上電容后，按K4為測試電容功能。 測試完后按K4可以清除顯示。 聲或光報警時，若取下電容再按K4，則停止報警。若沒取下電容，則不能停止報警。 圖3.1 數(shù)字電容計總電路圖3.2參數(shù)選擇及儀表調(diào)試： 以最小的電容值10

23、0pF為例，因?yàn)闇y試電容的原理是：閘門信號Tw=1.1RpiCx，而振蕩器輸出周期為T=0.7(Ra+2Rb)C的基準(zhǔn)脈沖，我們設(shè)置電路使0.7(Ra+2Rb)C=1.1Rpi那么在閘門信號閘門內(nèi)有多少個基準(zhǔn)脈沖電容，值就為多少。 從實(shí)際中考慮，1ps的周期脈沖是很難產(chǎn)生的，即使能產(chǎn)生，這樣的脈沖也無法令74161識別出來，即無法計數(shù)。所以我們設(shè)置的參數(shù)所產(chǎn)生的振蕩脈沖的周期是很大的，約0.11ms，這個周期值也是為了應(yīng)合Tw中1.1Rpi的值，即與1.1Rpi成整數(shù)倍關(guān)系，這一點(diǎn)從一定程度上減少了誤差。用示波器可以很容易的調(diào)試出這個值。從電路中可以看到基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的555振蕩器的電阻，三個

24、檔位分別有三個變阻器即是為提高精度而設(shè)置的。本設(shè)計方案中有三個量程檔位分別為(1009999)*1pF，(1009999)*100pF，(1009999)*0.01F。根據(jù)各量程檔位可得其滑動變阻器的最大阻值可以由下式確定：R=100*0.11ms/(1.1Cx)=1/100Cx (歐) 為安全起見，本次設(shè)計中我們?nèi)〉么笠稽c(diǎn)。 調(diào)試時分別用三個已知容量的標(biāo)準(zhǔn)電容，即102p的、104p的、10的三個電容來分別調(diào)試三個量程檔位，插上電容后適當(dāng)調(diào)節(jié)同一級的滑動變阻器，直到數(shù)碼管顯示正確的容值為止。3.3產(chǎn)品使用說明： 插上電容，無報警情況時，注意量程選擇旋鈕周圍檔位有1*，*100，*0.01三種

25、倍數(shù)字樣，當(dāng)前數(shù)碼管顯示值乘以旋鈕指針指向的倍數(shù)作為容值，然后看指示燈，若紅燈亮，則單位為pF，若綠燈亮，則單位為uF。如果有報警情況，若黃燈亮說明選擇檔位太大，應(yīng)調(diào)小，最小量程時，黃燈依然亮，說明待測電容值小于100pF；聲音報警說明選擇的量程檔位太小，應(yīng)調(diào)大。最大量程時依然報警說明待測電容值大于100uF，超出儀表范圍。3.4 下面我們以測待測電容Q的電容量為例說明電路工作過程及測容原理: 將測量電容插入待測插座。 按一下測量開關(guān)K4, K4產(chǎn)生的負(fù)脈沖將計數(shù)器和寄存器清零，同時觸發(fā)Ic1，則由Ic1為主組成的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會產(chǎn)生一個有一定延遲時間的負(fù)窄脈沖，既啟動脈沖，啟動脈沖作為I

26、c2為主組成的555單穩(wěn)態(tài)定時器的輸入信號輸入Ic2，則由Ic2會產(chǎn)生一個寬度為tw=1.1RpiCx的矩形脈沖，用這個矩形脈沖輸入到74161計數(shù)器的使能端Ep、Et端，由161記數(shù)器的功能表可知，即可形成計數(shù)器計數(shù)的閘門信號。同時由Ic3為主的555無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器已經(jīng)開始工作產(chǎn)生周期為T=0.7(Rpi+a)*1000p的脈沖信號(其中為上電阻)，即為基準(zhǔn)脈沖信號，他作為161的CP脈沖，則此時，161在閘門內(nèi)計數(shù)。四片161芯片構(gòu)成10000進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)值沒超過儀表量程時，計數(shù)器計數(shù)終值的每一位分別由74LS175鎖存，然后由74LS47譯碼，最后由四個LED數(shù)碼管顯示出來，顯示值乘

27、以倍數(shù)加上單位即為待測電容值。如果發(fā)現(xiàn)Cx值不在本檔位量程范圍以內(nèi)，則報警器會報警，同時數(shù)碼管顯示0，則可根據(jù)說明選擇其他檔位。若三個檔位均可報警，則說明Cx值不在本儀器量程范圍內(nèi)。4.各單元電路的設(shè)計與分析 4.1 基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器（555振蕩電路）分析如總圖（圖3.1 數(shù)字電容計總電路圖）中的IC3(555振蕩器)及所屬電路所示，將555定時器與幾個阻、容元件如圖連接，便構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩模式。當(dāng)加上Vcc電壓時，由于電容上端電壓不能突變，故555處于置位狀態(tài)，輸出端3號腳呈高電平“1”，而內(nèi)部的放電COMS管截止，通過Rp和兩個電阻對其充電，6腳電位隨上端電壓的升高呈指數(shù)上升。當(dāng)上的電壓隨

28、時間增加，達(dá)到2Vcc/3閾值電平（7腳）時，上比較器A翻轉(zhuǎn)，使RS觸發(fā)器置位，經(jīng)緩沖級倒相，輸出呈低電平“0”。此時，放電管飽和導(dǎo)通，上的電荷經(jīng)下面的電阻至放電管放電。當(dāng)放電使其電壓降至1Vcc/3觸發(fā)電平（2腳）時，下比較器B翻轉(zhuǎn)，使RS觸發(fā)器復(fù)位，經(jīng)緩沖級倒相，輸出呈高電平“1”。以上過程重復(fù)出現(xiàn)，形成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩。 由上面對多諧振蕩過程的分析不難看出，輸出脈沖的持續(xù)時間就是上的電壓從1Vcc/3充電到2Vcc/3所需的時間。本設(shè)計用它產(chǎn)生T=0.11ms的基準(zhǔn)脈沖。 4.2 啟動脈沖發(fā)生器Ic1、Ic2（74121單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖延時電路）：本次設(shè)計，利用其觸發(fā)功能實(shí)現(xiàn)窄負(fù)脈沖的延時

29、，如總圖中按測試開關(guān)后，Ic1的B號管腳會輸入一個負(fù)脈沖，受該脈沖上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生一個寬為7ms的正脈沖。此正脈沖輸入Ic2的A1、A2腳，正脈沖的下降沿觸發(fā)，Ic2的uo2輸出一個寬為0.7us的負(fù)脈沖，作為啟動脈沖。 4.3轉(zhuǎn)化為Tw寬度的矩形脈沖Ic3（555單穩(wěn)態(tài)定時器）：555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖總圖（圖3.1 數(shù)字電容計總電路圖）中的Ic1所示，該電路的觸發(fā)信號在2腳輸入，R和C是外接定時電路。單穩(wěn)態(tài)電路的工作波形如圖4.1所示。 圖4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖在未加入觸發(fā)信號時，因ui=H，所以uo=L。當(dāng)加入觸發(fā)信號時，ui=L，所以uo=H，7腳內(nèi)部的放電管關(guān)斷，電源經(jīng)電阻

30、R向電容C充電，uC按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)uC上升到2VCC/3時，相當(dāng)輸入是高電平，555定時器的輸出uo=L。同時7腳內(nèi)部的放電管飽和導(dǎo)通時，電阻很小，電容C經(jīng)放電管迅速放電。從加入觸發(fā)信號開始，到電容上的電壓充到2VCC/3為止，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完成了一個工作周期。輸出脈沖高電平的寬度稱為暫穩(wěn)態(tài)時間，用tW表示。Ic2的uo2輸出的負(fù)脈沖送入Ic3的2號腳，受其下降沿的觸發(fā)，Ic3的3號管腳輸出寬度為Tw=1.1RpiCx的矩形脈沖。 4.4 計數(shù)器：Ic2輸出的矩形脈沖送到74161的Ep、Et，Ep=Et=1時，161開始計數(shù)到矩形脈沖的下降沿為止，以后Ep=Et=0，161處于保持狀態(tài)，只

31、有下一次受啟動脈沖的影響清零并重新計數(shù)。 4.5、寄存譯碼顯示系統(tǒng)：計數(shù)器的計數(shù)值送到鎖存器74175的輸入端閘門脈沖的下降沿反鄉(xiāng)后，作為175的CP脈沖觸發(fā)175鎖存計數(shù)終值并由輸出端送出到BCD七段譯碼器，將其譯碼并由7447LED數(shù)碼管顯示，如果清零脈沖沒有到達(dá)就一直顯示，清零鍵按下后，清零。 4.6、單位顯示電路 單位的顯示與量程的選擇一致，即當(dāng)量程為0.01uf-1uf或1uf-100uf時，單位顯示為UF，當(dāng)量程為100pf-0.01uf時，單位顯示為PF.，單位后的小數(shù)點(diǎn)亮表示被測電容值為顯示的數(shù)值乘以100。如圖4.2所示： 圖4.2 單位顯示電路5. 電路的調(diào)試 (1) 重按

32、照整機(jī)電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(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)生器和控制器.首先調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復(fù)合設(shè)計要求用頻率計檢測電路的輸出端，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，接著調(diào)試控制器將一個 100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)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1RCx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié)再復(fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。 (2) 當(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕時，555多諧振蕩器開始工作，輸

33、出周期為 T=0.7（R1+2R2）C 的方波信號。將多諧振蕩器輸出的脈沖送往74LS160開始計數(shù)，同時將輸出信號結(jié)至單穩(wěn)態(tài)電路輸入端，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行定時功能。 (3)在多諧振蕩器輸出輸出周期性脈沖的時候，555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端會不斷地輸入方波脈沖，由555單穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)我們可以知道，當(dāng)負(fù)脈沖到來時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會輸出為寬度為是Tw=1.1RC的正脈沖； (4)在測試100-10000pf電容的過程中，顯示的電容值在某一個范圍里不停的變動，為此，我們在設(shè)計該量程時在多謝振蕩器的C2電容兩端并聯(lián)了一個電容，以加大輸出波形的周期，同時為了不使測量結(jié)果發(fā)生變化，將該量程下的單穩(wěn)態(tài)電路6、8間的電阻擴(kuò)大至同樣的倍數(shù)。這樣設(shè)計后，顯示很穩(wěn)定。其中部分仿真結(jié)果如下： 圖5.1 100pf被測電容仿真結(jié)果 圖5.2 0.47uf被測電容仿真結(jié)果 圖5.3 68uf被測電容仿真結(jié)果6.總結(jié)本設(shè)計完成題目所給的設(shè)計任務(wù)，設(shè)計了一臺數(shù)字顯示的電容器參數(shù)測試儀，滿足題目的基本要求和一部分發(fā)揮要求。儀表有性能可靠、精度高、電路簡單的特點(diǎn)。但是這種把元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率后測量的方法也有不足之處，主要是必須保證電路起振，并且振蕩要穩(wěn)定，否則會增加誤差。總體來說，本次設(shè)計是成功的。回顧起此次課程設(shè)計，至今我感慨頗多，此次設(shè)計中我投入了最大的熱情和精力，從設(shè)計電路圖，選擇元器件，使用仿