電子線路課程設計

1、湖北民族學院信息工程學院課程設計報告題目: 電容測量儀 信息工程學院課程設計任務書學 號學生姓名專業(yè)（班級）設計題目電容測試儀設計技術參數測試電容容量100pF100F之間，測試結果采用數碼管顯示。設計要求（1）結合實驗室現有設備，獨立設計電路；（2）獨立完成課程設計實物制作，設計只能采用模擬電路、數字電路相關知識，不能采用單片機及其他微處理器。獨立完成設計報告，嚴禁報告內容雷同。（3）電路圖中的圖形符號必須符合國家或國際標準；（4）所有電路圖的制作應采用 Protel99 SE或更高版本，也可以或Multisim10或Protues正確繪制及仿真；（5）報告內容完整，格式正確，A4紙張打印，

2、字數不少于5000字。（6）設計報告除上交打印稿外，另外上交電子文稿和設計及仿真源文件，電子文稿和設計文件打包后用“學號+姓名”作為文件名發(fā)到指導老師郵箱（7）設計報告紙質文檔由學習委員在9周末交到老師辦公室；電子文檔等上交截止日期也是9周末。實物驗收時間是9周星期三和星期四，實物檢查驗收完畢后學生可以領走。參考資料1康華光，陳大欽. 電子技術基礎模擬部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052康華光，陳大欽. 電子技術基礎數字部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20053 鄒義政. 自制數字電容表J. 電子制作. 2003(01)4 鹿桂蘭. 利用電橋法測量

3、電容J. 中國教育技術裝備. 2009(23) 2016年10月22日 課程設計題目： 電容測試儀 成績： 指導教師： 2016年10月22日信息工程學院課程設計成績評定表摘 要本文介紹了一種簡單的數字式電容測試儀，它能夠較為準確地測量出100pF100F的電容大小。它是由基于555定時器芯片的多諧振蕩電路的脈沖產生模塊、基于555定時器芯片的單穩(wěn)態(tài)電路的信號控制模塊、基于三片74LS160芯片的電路的脈沖計數模塊以及基于CD4511譯碼器芯片和共陰極七段數碼管的數值顯示模塊構成。時鐘脈沖產生模塊、信號控制模塊、與門產生一個與被測電容大小相等的脈沖數，脈沖計數器模塊計數算出，最后由數值顯示模塊

4、顯示所測得的脈沖數即電容值。關鍵詞：脈沖產生，脈沖控制，脈沖計數，數值顯示目 錄1 任務提出與方案論證11.1任務提出11.2 方案論證12 總體設計22.1 電路原理22.2 555定時器介紹22.3 74LS160介紹32.4 CD4511介紹32.5 74LS08介紹42.6 74LS00介紹42.7 共陰極七段數碼管53 詳細設計及仿真53.1 Multisim介紹53.2多諧振蕩電路63.3單穩(wěn)態(tài)電路83.4計數器電路93.5總電路的仿真103.5實物調試114 總結12參考文獻13 1 任務提出與方案論證1.1任務提出任務：制作電容測量儀，測試電容容量100pF100F之間，測試結

5、果采用數碼管顯示。要求：（1）結合實驗室現有設備，獨立設計電路；（2）獨立完成課程設計實物制作，設計只能采用模擬電路、數字電路相關知識，不能采用單片機及其他微處理器。獨立完成設計報告，嚴禁報告內容雷同。（3）電路圖中的圖形符號必須符合國家或國際標準；（4）所有電路圖的制作應采用 Protel99 SE或更高版本，也可以或Multisim10或Protues正確繪制及仿真；（5）報告內容完整，格式正確，A4紙張打印，字數不少于5000字。（6）設計報告除上交打印稿外，另外上交電子文稿和設計及仿真源文件，電子文稿和設計文件打包后用“學號+姓名”作為文件名發(fā)到指導老師郵箱（7）設計報告紙質文檔由學習

6、委員在9周末交到老師辦公室；電子文檔等上交截止日期也是9周末。實物驗收時間是9周星期三和星期四，實物檢查驗收完畢后學生可以領走。1.2 方案論證方案一：利用電容的交流阻抗特性，將電容大小轉換成電壓模擬信號。再經過A/D轉換器將電壓模擬信號轉換成電壓數字信號。由于電壓大小和電容大小成正比關系，調節(jié)電路各個參數，就能得到與電容大小相等的的電壓數字信號值。此方案具有自動調零的有點，但是由于分立元件過多，造成了精度不夠。方案二：利用電容的充放電，將電容大小轉換成一定脈寬的脈沖，將其作為控制電路，與標準的時鐘脈沖發(fā)生電路進行與運算后，會得到一定數目的脈沖數，由于電容大小和脈寬大小成正比關系，調節(jié)時鐘脈沖

7、發(fā)生電路的脈沖頻率，就能得到與電容大小相等的脈沖數。此方案精度好，但我設計的電路需要手動調零。綜上所述，選擇方案二。2 總體設計2.1 電路原理將待測電容的大小轉換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度嚴格與待測電容大小成正比只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時鐘脈沖相與，便可得到計數脈沖，把計數脈沖送給計數器計數，然后再送給顯示器顯示如果時鐘脈沖的頻率等參數合適，數字顯示器顯示的數字便是待測電容的大小該方案的原理框圖如圖2-1所示。圖2-1 原理框圖2.2 555定時器介紹 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5

8、腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC 若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 其功能表如表2-2所示表2-2 555定時器功能表2.3 74LS160介紹74LS160是十進制計數器，直接清零，異步清零端MR非為低電平時，不管時鐘端CP信號狀態(tài)如何，都可以完成清零功能。160

9、的預置是同步的，當置入控制器PE非為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端Q0-Q3數據端P0-P3一致。其真值表如表2-2所示：表2-2 74LS160真值表2.4 CD4511介紹CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅動器，用于驅動共陰極 LED （數碼管）顯示器的 BCD 碼-七段碼譯碼器。具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗庸碴嶭ED數碼管。各引腳的名稱：其中7、1、2、6分別表示A、B、C、D；5、4、3分別表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分別表示 a、b、c、d、e、f、g。左邊

10、的引腳表示輸入，右邊表示輸出，還有兩個引腳8、16分別表示的是VDD、VSS。其引腳圖如圖2-3所示。圖2-3 CD4511引腳圖2.5 74LS08介紹74LS08是2輸入四與門集成電路芯片,常用在各種功能的數字電路系統(tǒng)中。 本次設計就是利用了74LS08與門特性將多諧振蕩電路和單穩(wěn)態(tài)電路連接在一起。其真值表如表2-3所示。表2-3 74LS160真值表2.6 74LS00介紹74LS00 是常用的2輸入四與非門集成電路，他的作用很就是實現一個與非門。而與非門將輸入引腳接在一起就可以實現反向器功能即非門，本次設計就是利用了74LS00的這個特性。其真值表如表2-3所示。表2-3 7

11、4LS160真值表2.7 共陰極七段數碼管LED顯示器是由發(fā)光二極管作為為顯示字段的數碼顯示器件，圖6為一位LED顯示器的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管(ag七段)構成字型“8”，另外還有一只發(fā)光二極管dp作為小數點。 當顯示器的某一段發(fā)光二極管通電時，該段發(fā)光，例如，使b、c、f、g這4段發(fā)光二極管通電，則顯示字符“4”。圖2-7 LED數碼管的引腳圖 3 詳細設計及仿真3.1 Multisim介紹本設計中采用的軟件是Multisim12.0。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖

12、形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim具有諸多優(yōu)點。一、直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的；二、豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。三、強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronic work

13、bench 帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。四、豐富的測試儀器提供了22種虛擬儀器進行電路動作的測量：3.2多諧振蕩電路555定時器芯片上電之后，經電阻R1和R2對電容C充電其電壓UC由0按指數規(guī)律上升。當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，放電管V導通，電容C經電阻R2和放電管V放電。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

14、 發(fā)器被置1Q=1Q=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又經過電阻R1和R2對電容C充電。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生了振蕩輸出矩形脈沖。其波形圖如3-1所示。圖3-1 多諧振蕩器波形圖仿真電路如圖3-2所示，仿真結果如圖3-3所示。3-2多諧振蕩仿真電路3-3 仿真結果3.3單穩(wěn)態(tài)電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產生波形用于控制計數，由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。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)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)在暫穩(wěn)

15、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，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關。 在圖6所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在電容測試中用作測量控制的，如果開關斷開，則經過反相器后，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)。 當開關閉合時，經反相器后端口2處于高電平，使555定時電路Vc2=0，鎖存器被置1，V0跳變成低電平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。與此同時TD截止，Vcc經R3開始向電容Cx充電。當充至Vcx=2/3Vcc時，鎖存器被置0，輸出V0=0狀態(tài)。其波形圖如3-4所示。3-4單穩(wěn)態(tài)電

16、路波形圖仿真電路圖如圖3-5所示，仿真結果如圖3-6所示。 圖3-5 單穩(wěn)態(tài)仿真電路圖3-6 仿真結果3.4計數器電路我們采用74LS160作為計數器，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。計數器電路是由3片74LS160組成的異步1000進制計數器把個位計數器的進位輸出端RCO接到十位計數器的CLK端。第一片每計到9時RCO端輸出變?yōu)楦唿c平，下一個計數脈沖到達后，第一片計成0狀態(tài)，而第二片計成1，可見，

17、這3片74LS160不是同步工作的。計數器的輸出端接到只有四引腳的八段數碼顯示管上數碼管上顯示的數值即為計數器所計脈沖的個數。仿真電路圖及仿真結果如圖3-8所示。圖3-8 計數器仿真電路及仿真結果3.5總電路的仿真 待測電容是C1，仿真時選取的56uf的電容，仿真電路和仿真結果如圖3-9所示。本設計中我們通過控制R的大小來設置3個不同的檔位由一個單刀雙擲開關來 控制。當R=100時第一檔，當R=10k時第二檔, 當R=1M時第三檔。 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。然后再接到計數器電路的低位脈沖信號輸入端CLK。這樣數碼管上顯示的數值就 是被測電容的容值。 圖3-9仿

18、真電路和仿真結果3.5實物調試一、焊點檢查：在斷電情況下，逐點檢查各焊盤的焊接情況，看是是否有虛焊和漏焊及短路和斷路的地方；二、加電檢查：在1完好的情況下，加上電，打開開關，電源指示燈被點亮，用手逐個摸芯片，看是否有發(fā)燙的情況：如有，趕快斷電，看電壓是否加錯或者再回頭檢查一下電路。三、待測電容調試：1）在2完好后，加上一個標稱值為47u的電容進行測試，發(fā)現按一次鍵，顯示一個值，清零后，再按一次鍵，顯示值與上一次顯示值不一致，后查閱相關資料，這是由于輸入的低脈沖時間大于輸出的tw，導致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能正常工作，須在輸入端加上有一個電容和電阻構成微分電路方能正常工作；3）在此基礎上改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器上輸入端的精密可調電位器R的阻值，從而使顯示值與標稱值相等；4）再更換不同電容值（從小到大更換）進行測試。 4 總結這次課程設計，考察了我們對電子技術基礎模擬部分和數學部分的掌握情況。在實驗過程鍛煉了自己的思考能力和動手能力。在通過題目設計電路的過程中，加強了我思考問題的的完整性和與實際生活聯系的可行性。在方案設計選擇和芯片的選擇上，使我對理論知識和芯片的原理和功能有了更深刻的記憶，鍛煉了自己對問題的分析和解決能力同時也鍛煉了自己的耐心。再這次實驗中我實物調試出現了困難，仿真出來后，發(fā)現跟