數(shù)字式電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、摘要綜述11方案設(shè)計(jì)與分析22222 電路設(shè)計(jì)框圖及功能描述32.1電路設(shè)計(jì)框圖32.2電路設(shè)計(jì)功能描述33 電路原理設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算4444564 單元電路仿真波形及調(diào)試889994.2.3 自動(dòng)回復(fù)狀態(tài)91010115課程設(shè)計(jì)體會(huì)14參考文獻(xiàn)15摘要本設(shè)計(jì)是基于555定時(shí)器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測(cè)量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測(cè)量的電容。其脈沖輸入信號(hào)是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號(hào)的頻率可以根據(jù)所選的電阻，電容的參數(shù)而調(diào)節(jié)。這樣便可以定量的確定被測(cè)電容的容值范圍。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容值的不同而不同的，所以脈寬即是對(duì)應(yīng)的電容值，其精確度

2、可以達(dá)到0.1%。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的信號(hào)濾波，使最終輸出電壓與被測(cè)量的電容值呈線(xiàn)性關(guān)系。最后是輸出電壓的數(shù)字化，將輸入到74160計(jì)數(shù)譯碼器中翻譯成BCD碼，輸入到LED數(shù)碼管中顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞： 電容；555定時(shí)器；線(xiàn)性；計(jì)數(shù)譯碼器；LED數(shù)碼管綜述 本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，在通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析后選擇設(shè)計(jì)方案，此設(shè)計(jì)題目為了復(fù)習(xí)和鞏固已學(xué)過(guò)的數(shù)電與模電理論知識(shí)和操作技能，掌握數(shù)電各種芯片的特性與作用，學(xué)會(huì)用仿真軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和電路分析。學(xué)習(xí)和訓(xùn)練查閱各種技術(shù)資料，編制相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)文件的基本技能。根據(jù)本次課程任務(wù)相關(guān)要求，本設(shè)計(jì)分為三部分，第一脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，第二由測(cè)量電容構(gòu)成單

3、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的脈寬，第三計(jì)數(shù)譯碼器與數(shù)碼管的配合使用。在日常的電路工程或者是電路實(shí)驗(yàn)中，電容是一種最常見(jiàn)的云器件，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電容的電容值的精確度要求也很高。在實(shí)際操作中，對(duì)電容的測(cè)量存在許多麻煩，數(shù)值的表現(xiàn)也不夠直觀(guān)。為此，我們查閱資料，根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電容測(cè)試儀，只要接入被測(cè)電容，就能直接在屏幕中顯示電容的容值，方便在以后實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容的使用。1 方案設(shè)計(jì)與分析恒壓充電法測(cè)量用一個(gè)電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對(duì)電容充電，然后和、根據(jù)電容充電的曲線(xiàn)超過(guò)某個(gè)固定電壓所需要的時(shí)間，利用曲線(xiàn)擬合的方法測(cè)量。由于時(shí)間和容值是非線(xiàn)性的。因此測(cè)量難度高，精度低，并且難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。恒流充電法測(cè)

4、量用恒流源對(duì)電容充電，此時(shí)電容的容值和充電時(shí)間是成正比的，所以可以利用AD或者比較功能同某個(gè)固定電容比較，實(shí)現(xiàn)電容測(cè)量。使用這種方法來(lái)測(cè)量，精度較上一種方法有所提高，且便于操作和實(shí)現(xiàn)。彈藥使用恒流源，恒流源的設(shè)計(jì)要求很高，且達(dá)不到測(cè)量所需要的精度要求。脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量由555定時(shí)器兩個(gè)電阻和一個(gè)電容構(gòu)成的多謝振蕩電路，產(chǎn)生較穩(wěn)定的振蕩頻率。再由一個(gè)555定時(shí)器和一個(gè)電阻以及的一個(gè)電容構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，并將上述多謝振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，此方法測(cè)量比較精確，并且容易調(diào)節(jié)所測(cè)電容值的范圍。綜上述的三種方法，我選擇第三種。2 電路設(shè)計(jì)框圖及功能描述計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路 脈沖產(chǎn)生

5、電路脈沖個(gè)數(shù)控制電路待測(cè)電容脈沖產(chǎn)生電路采用由555定時(shí)器改接的多諧振蕩器，多諧振蕩器產(chǎn)生固定頻率的脈沖，用來(lái)給74160計(jì)數(shù)譯碼器提供計(jì)數(shù)脈沖，脈沖個(gè)數(shù)控制電路采用由555定時(shí)器改接的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)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 與 Cx成正比。因此，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，這個(gè)時(shí)侯，如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話(huà)，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小3 電路原理設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 本設(shè)計(jì)分為三個(gè)量程，分別為100pf-99

6、9pf、1nf-999nf、1uf-100uf,下述單元電路均以量程1uf-100uf為基準(zhǔn)電路原理設(shè)計(jì)利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以被測(cè)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 與 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。單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算控制器電路控制器的主要功能是根據(jù)被測(cè)電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制脈沖寬度 Tx圖3-2-1所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖該電路的工作原理如下：圖3-2-1 單穩(wěn)態(tài)控

7、制電路的原理圖當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，只要按一下開(kāi)關(guān) S，電源電壓Vcc送給 555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端2一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門(mén)使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過(guò)，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為T(mén)x=1.1RCx然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)，其輸出端3變?yōu)榈碗娖?，從而封鎖與門(mén)，停止計(jì)數(shù)。可見(jiàn)，控制脈沖寬度 Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)將與Cx的容量值成正比，可以達(dá)到測(cè)量電容的要求。由于設(shè)計(jì)要求 ，Cx的變化范圍為 100pF100F，設(shè)測(cè)量的時(shí)間Tx為2s左右，也就根據(jù) Tx=1.1RCx可求得 ：R=T（Ln

8、3*Cx (3-2-1)取R=18k 實(shí)際Tx=Ln3*Cx*R=1.9775s 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器這里選用由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘產(chǎn)生功能。電路原理圖及其輸出波形如圖3-2-2所示圖3-2-2 電路原理圖及其輸出波形由圖3-2-2求的電容C2的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2各為T(mén)1=(R1+R2)*C2*Ln2 (3-2-2)T2=R2*C2*Ln2 (3-2-3) 故振蕩波形的周期為 T=T1+T2=(R1+2R2)*C2*Ln2 (3-2-4)振蕩頻率為 f=1/T=1/(R1+2R2)*C2*Ln2) (3-2-5)因?yàn)闀r(shí)鐘周期是在忽略了555定時(shí)器6腳的輸入電流條件下得到的，

9、而實(shí)際上 6腳有電流流入因此，為了減小該電流的影響，應(yīng)使C2=1。又因?yàn)橐?Cxmax =100時(shí)，Tx=，所以需要時(shí)鐘脈沖發(fā)生器在該時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生 100脈沖即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T(mén)=19.975ms.取C2=1uF，則 ： R1+2*R2=T/(C2*Ln2)=28.53k (3-2-6)取標(biāo)稱(chēng)值：R1=，R2=10k.3 計(jì)數(shù)和顯示電路由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為1100，因此需要采用 3個(gè)二十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器這里選用 3片74160級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成所需的計(jì)數(shù)器一片74LS160和數(shù)碼管連接如圖3-2-3所示:圖3-2-3 74LS160和數(shù)碼管連接圖三片74LS160和三個(gè)數(shù)碼管連接出來(lái)的顯示圖如圖3-

10、2-4所示：圖3-2-4 三片74LS160和三個(gè)數(shù)碼管連接出來(lái)的顯示圖4 單元電路設(shè)計(jì)的仿真波形 多諧振蕩器由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的波形如圖4-1-1所示，它既為下一級(jí)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)提供信號(hào)脈沖。圖4-1-1 多諧振蕩器電路波形其工作原理如下：多諧振蕩器只有兩個(gè)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(guò)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C上的電壓Uc略微超過(guò) 時(shí)(即U6和U2均大于等于

11、 時(shí))， RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓Uo從原來(lái)的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，V1導(dǎo)通飽和，此時(shí)電容C通過(guò)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)Uc下降到略微低于 時(shí)，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(guò)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4-1-2所示。圖4-1-2 多諧振蕩器波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的波形如圖4-2-1所示，它可以產(chǎn)生占空比一定的脈波，此脈波用來(lái)控制計(jì)數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理如下：4.2.1 穩(wěn)定狀態(tài)沒(méi)有加觸發(fā)

12、信號(hào)時(shí)，輸入為高電平。接通電源后，經(jīng)電阻R對(duì)電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容C上的電壓時(shí)，輸出。與此同時(shí)電容C迅速放完電，不變。4.2.2 觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，此時(shí)，輸出由低電平跳躍到高電平。此時(shí)，電源經(jīng)R對(duì)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。4.2.3 自動(dòng)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(shí)，輸出由高電平跳躍到低電平。與此同時(shí)，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(shí)間（及占空比），它實(shí)際上為電容C上的電壓由V充到所需的時(shí)間，可用下式估算:式中R和C為外接電阻和電容。圖4-2-1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路波形

13、4.3.1 電路原理圖 如下圖4-3-1所示（以量程1uf-100uf為例）圖4-3-1 電路原理圖4.3.2 仿真結(jié)果顯示Cx=10uf的測(cè)試結(jié)果顯示如圖4-3-2圖4-3-2 Cx=10uf測(cè)試結(jié)果Cx=100uf測(cè)試結(jié)果圖顯示如圖4-3-3圖4-3-3 Cx=100uf測(cè)試結(jié)果 改變?yōu)?nf=999nf的量程，令C3=0.1uf,R1=1800k，R2=4.5k（參數(shù)代碼以仿真圖顯示為準(zhǔn)）。 Cx=100nf仿真測(cè)試結(jié)果如圖4-3-4圖4-3-4 Cx=100nf測(cè)試結(jié)果 改變?yōu)?00pf-999pf的量程，令R1=1800M,R2=4.47k,C3=0.1uf。 Cx=100pf仿真測(cè)

14、試結(jié)果顯示如圖4-3-5圖4-3-5 Cx=100pf測(cè)試結(jié)果 Cx=999pf仿真測(cè)試結(jié)果顯示如圖4-3-6圖4-3-6 Cx=999pf測(cè)試結(jié)果5 課程設(shè)計(jì)體會(huì)經(jīng)過(guò)兩星期的奮戰(zhàn)，終于把這個(gè)難熬的東西給整完了，什么課程設(shè)計(jì)體會(huì)呀，沒(méi)有什么體會(huì)就是累，不過(guò)有時(shí)候還覺(jué)得挺有意思的，不過(guò)這種感覺(jué)會(huì)被一個(gè)個(gè)的問(wèn)題給駁回了，在設(shè)計(jì)中遇到的最頭疼的問(wèn)題就是仿真，不是因?yàn)殡y，而是原理仿真都是對(duì)的可仿真結(jié)果怎么也對(duì)不了，或者今天是對(duì)的過(guò)了一晚就又不行了，這真的要發(fā)瘋，也不知道是哪里的問(wèn)題，最終無(wú)奈的歸為人品有問(wèn)題，可做仿真過(guò)程中人品就沒(méi)好過(guò)，所以我只能好好把握仿真結(jié)果正確的時(shí)候，如果沒(méi)有這么個(gè)煩人的問(wèn)題，這

15、個(gè)課程設(shè)計(jì)會(huì)很有趣的，我就是在這里吐槽的，還有一個(gè)值得吐槽的就是寫(xiě)word的時(shí)候，第一是格式要求真麻煩，第二個(gè)頭疼的是頁(yè)眉頁(yè)腳真是難搞花了好長(zhǎng)時(shí)間吶，眼都要瞎。說(shuō)點(diǎn)吐槽之外的話(huà)吧，還是那一套，通過(guò)這個(gè)課程設(shè)計(jì)鞏固了我的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)仿真加強(qiáng)了動(dòng)手能力和思維轉(zhuǎn)換能力，最最重要的是耐心耐心耐心，重要的事情說(shuō)三遍，如果你做仿真沒(méi)學(xué)會(huì)耐心的話(huà)那就意味著你什么也沒(méi)執(zhí)行出來(lái)，或許這就是它的意義所在吧，并不是讓我們學(xué)會(huì)什么知識(shí)，就是讓我們體驗(yàn)一下什么叫絕望，不過(guò)還好絕處逢生就是這么來(lái)的。課程設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練，不單單要掌握課本知識(shí)還要學(xué)會(huì)自己尋找答案，學(xué)著自己解決問(wèn)題和重視和同學(xué)討論的力量相互學(xué)習(xí)相互幫助，這是多么重要的人生體會(huì)啊，小小的課設(shè)還能折射出這么多重要的人生道理，這么說(shuō)來(lái)，它真是太有用