數(shù)顯電容測(cè)試儀業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)方案[]

1、數(shù)顯電容測(cè)試儀摘要隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步，電容器在電子線路中得到廣泛 的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要的影響，因此測(cè)量電容的大小在 生產(chǎn)和生活中起著至關(guān)重要的作用。本課題就是關(guān)于電容的測(cè)量并通過數(shù)字顯 示出來。電容測(cè)量?jī)x在國內(nèi)外的發(fā)展水平越來越高，目前，電容測(cè)量?jī)x的應(yīng)用 現(xiàn)狀是：品種多樣，技術(shù)含量高。電容的測(cè)量有多種方法，有電橋法、單片 機(jī)法、容抗法、調(diào)頻法、運(yùn)算放大器法、脈寬調(diào)制法等。本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制 法，本電容表五位 LED 顯示容量，兩位 LED 顯示單位，分為三個(gè)量程： OpF 99999PF、O.OO1 卩 F 99.999、卩0.1 卩 F 9999.9。全數(shù)

2、字電路，晶振穩(wěn)頻 誤差小，耗電量小，制作費(fèi)用低。電路可分為四個(gè)部分，顯示電路、測(cè)量電路、 量程轉(zhuǎn)換及符號(hào)控制電路、電源電路。要用數(shù)字電路來測(cè)量電容的容量可以把 容量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的脈寬寬度，將電容接入一由 NE555 構(gòu)成的單穩(wěn)電路，此電 路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即脈寬。此脈沖用來控制一個(gè)電子開關(guān)，讓固定頻率的脈沖通 過電子開關(guān)送往顯示電路，由七個(gè)數(shù)碼管顯示出來。我們有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展，在電子技術(shù)領(lǐng)域里，電容量的測(cè) 量?jī)x器一一電容測(cè)量?jī)x將得到越來越廣泛的應(yīng)用；電容測(cè)量?jī)x也將向著更合理, 更科學(xué)，更適用的方向不斷向前發(fā)展！關(guān)鍵詞：譯碼顯示，計(jì)數(shù)測(cè)量，脈寬調(diào)制法，單穩(wěn)電路摘要ABSTRACT目錄第

3、一章緒論Abstract目錄1JJ.1.1課題研究現(xiàn)狀電容測(cè)量的技術(shù)發(fā)展1.1.2課題研究的目的與意義1.2課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1.3課題指標(biāo)與參數(shù).2121第二章 各設(shè)計(jì)方案的比較及論證2.1各方案基本原理的介紹2.2方案比較及確定8.第二章總體電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)工作原理及方框圖.容量測(cè)量工作原理10.9.3.1.2NE555 的介紹103.2電源電路橋式整流電路的工作原理1.2133.3測(cè)量電路3.3.1 MC14060 的介紹1.4153.3.2 MC14040 的介紹173.4量程轉(zhuǎn)換及符號(hào)控制電路183.4.1 MC14017 的介紹19213.5計(jì)數(shù)顯示電路目錄3.5.1 七段LED顯

4、示及其工作原理 233.5.2 MC14543 的介紹243.6采用脈寬調(diào)制法的誤差分析 263.7使用方法與校正 273.8元件的選擇與制作273.9整體電路原理圖28第四章PROTEL DXP 應(yīng)用294.1 Protel DXP 的介紹 294.2原理圖設(shè)計(jì)步驟 304.3PCB板圖的設(shè)計(jì)步驟.31結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致謝37附錄38第一章緒論1.1課題研究現(xiàn)狀隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)， 電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要的 作用。因此，電容量的測(cè)量在日常使用中就不可避免。電容測(cè)量?jī)x的發(fā)展水平 越來越高，目前電容測(cè)

5、量?jī)x的應(yīng)用現(xiàn)狀是：品種多樣，技術(shù)含量高。如： YD2612A/12B電容測(cè)量?jī)x，它有著良好的測(cè)試穩(wěn)定性，抗沖擊能力強(qiáng)。如： TH2615系列電容測(cè)量?jī)x，它是一種易操作、智能化的電容測(cè)量?jī)x，儀器價(jià)格低, 測(cè)試速度快。如：多頻HF2617電容測(cè)量?jī)x，它的可靠性穩(wěn)定性強(qiáng)，測(cè)量顯示直 觀，適用性好。因此，目前精確度高、穩(wěn)定性好、儀器價(jià)格低、測(cè)試速度快的 電容測(cè)量?jī)x有著極大的需求。電容測(cè)量的技術(shù)發(fā)展測(cè)量電容器的參數(shù)，最經(jīng)典的方法是采用電橋法，80年代問世了數(shù)字自動(dòng)電橋，電橋在內(nèi)部微機(jī)的控制下自動(dòng)平衡，最終結(jié)果直讀得到，大大方便了使 用，如今高壓西林電橋、高頻電橋等幾乎已經(jīng)被自動(dòng)化電橋所替代。由于電橋 的

6、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)也較高，對(duì)電容器的一般測(cè)量如僅測(cè)其電容量，可以用 阻抗法測(cè)試。阻抗法相對(duì)于電橋法簡(jiǎn)單的多，有的數(shù)字式萬用表配備有電容測(cè) 試功能，其原理大都是以阻抗法實(shí)現(xiàn)的。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別對(duì)相 位角測(cè)試精度的提高，在阻抗法測(cè)量的同時(shí)增加相位角的測(cè)量可以較準(zhǔn)確的得 到介質(zhì)損失角，在一定范圍內(nèi)已經(jīng)可以替代電橋法測(cè)量。小型電容測(cè)試儀還常 用積分法或斜率法（含雙斜率）測(cè)試電容，原理是測(cè)試RC積分時(shí)間或以恒流源對(duì)被測(cè)電容充電，用充電時(shí)間或充電終止電壓來計(jì)算被測(cè)電容的電容量，可以 達(dá)到比較高的測(cè)試精度，因?yàn)闇y(cè)試電源本質(zhì)上為直流，該方法對(duì)測(cè)試電解電容 非常合適。課題研究的目的與意義數(shù)字電子技術(shù)

7、在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，電容是電子技術(shù)中不可缺少的 部分，它在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要 的作用。因此，電容量的測(cè)量在日常使用中就不可避免。通過對(duì)數(shù)顯電容測(cè)量 儀的設(shè)計(jì)，使我鞏固了所學(xué)的本專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)了 我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)獨(dú)立分析問題解決問題的能力；同時(shí)對(duì)電容測(cè)量?jī)x 器的工作原理、元器件選擇及電子儀器的常用設(shè)計(jì)方法等有比較深入的了解； 進(jìn)而掌握了應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)的基本思想和方法；可以幫助改進(jìn)現(xiàn) 有電容測(cè)量系統(tǒng)的不足，為企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新做出幫助；提高自己的動(dòng)手實(shí)踐能力 和對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣，為自己以后從事電子類專業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的

8、基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1. 方案比較及論證 查閱相關(guān)資料，找到設(shè)計(jì)電路的基本思路。2. 基本測(cè)量原理。3. 工作原理、框圖及單元電路設(shè)計(jì)。4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及元器件選擇。5. 繪電路原理圖，列元件明細(xì)表，整理及分析有關(guān)數(shù)據(jù)。6. 結(jié)論。1.3設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)1. 測(cè)量范圍：第一檔 OpF 99999pF,第二檔 0.001卩F 99.999 ,第三檔0.1 卩 F 9999.9 (1F2. 測(cè)量小電容時(shí)有校正電路。3. 顯示方式：七位LED數(shù)碼管顯示，五位LED顯示電容量，兩位LED顯 示單位。4. AC220V 供電第二章方案比較與論證2.1各方案基本原理的介紹電容測(cè)量?jī)x的基本原理是把容

9、量轉(zhuǎn)換成其它形式的物理量，通過對(duì)其它物 理量的測(cè)量，從而計(jì)算出電容的容量?？梢赞D(zhuǎn)換為電壓值來測(cè)量，可以轉(zhuǎn)換成 脈沖寬度，可以用容抗值來測(cè)量，測(cè)量的方法有多種。1. 方案一微分法測(cè)電容如果三角波輸入給以被測(cè)電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)臈l件下，微分電路的輸出幅度與Cx成正比，再經(jīng)峰值檢測(cè)電路或精密整流及濾波電路，可以得到與 Cx成正比的直流電壓Ux，然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換 送給數(shù)字顯示器，便可實(shí)現(xiàn)所要求的函數(shù)關(guān)系。（電路如圖2-1所示）設(shè)三角波函數(shù)式為Ui=K t(0 t 1)(1-1)Ui= K t(tit t 2)(1-2)dUi因?yàn)?ix= CdtU。一ixR所以 U。二

10、-CKR(0 t t 1)(1-3)U。=CKR(t it 910X10 X10 =1.001 W =1 yS基準(zhǔn)頻率取1MHz，其周期也是1卩S也就是說1 yS的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即脈寬控制的電子開關(guān)能通過一個(gè)脈沖到達(dá)顯示電路， 即顯示1pF。電子開關(guān)的開啟由基準(zhǔn)脈沖控制。測(cè)量其它量程電容容量的方法以此類推，只是測(cè)量電阻不同而已。本表分為三個(gè)量程，即第一檔OpF 99999pF，第二檔 0.001 y F 99.999，第三檔 0.1 y F 9999.9 y F圖3-2單穩(wěn)態(tài)電路3.1.2 NE555 的介紹555定時(shí)器是一種將模擬功能和邏輯功能結(jié)合在同一塊芯片上的集成電路，8腳封裝。最初由美國S

11、IGNETICS公司在1972推出投放市場(chǎng)，很快得到廣泛應(yīng) 用，也因?yàn)閼?yīng)用廣泛，許多其它公司也推出了功能一樣的類似型號(hào)。此芯片內(nèi) 使用了 3個(gè)精度較高的5K分壓電阻，型號(hào)由此而得名。NE555是雙極性器件的集成電路，內(nèi)含2個(gè)555電路的型號(hào)為NE556，為14腳。另有CMOS工藝的7555 和 7556。NE555 電壓使用范圍為 4.5V - 18V.7555 則為 3V - 15V。a. NE555引腳位配置說明下:GNDEsv+TRIGGERF DISCHARGEOUTPUT口 THRESHOLDRESETE5 CONTROL VOLTAGE圖3-3NE555接腳圖Pin 1 （接地）-

12、地線（或共同接地），通常被連接到電路的共同接地端。Pin 2 （觸發(fā)點(diǎn)）-這個(gè)腳位是觸發(fā) NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā) 信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。Pin 3 （輸出）-當(dāng)時(shí)間周期開始輸出 555的輸出腳位，移至比電源電壓 少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約 200 mA。Pin 4 （重置）-一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出 回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制）-這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí) 器工作在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下，這輸入能用

13、來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 （重置鎖定）-Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至 2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin 7 （放電）-這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng) 輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。Pin 8 （V +）-這是555計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是 +4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。b. NE555時(shí)基電路主要有3種基本應(yīng)用1. 多諧振蕩器高電平時(shí)間：T1=0.693（R1+R2）C低電平時(shí)間：T2=0.693R2C振蕩周期：T=0.693（R

14、1+2R2）CC2為抗干擾電容,一般取要求不高也可不用。2. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時(shí)時(shí)間：T=1.1RC秒3. RS觸發(fā)器通電后輸出為高，按 S1輸出為低，按S輸出為高，6 7可連接。3.2電源電路電源電路給控制電路及其它電路提供電源，電源設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)很重要關(guān) 節(jié)，它的穩(wěn)定與否涉及到電路否能穩(wěn)定工作。由于本系統(tǒng)所用的一系列芯片的 電源都是直流電源，而現(xiàn)實(shí)中用的都是交流電，故要把交流電整流成直流電， 本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是橋式整流法把交流電整流成直流電，用LM7812實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出， 從而滿足系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器 LM7812組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 提供，如圖3-4所示：圖3-4系統(tǒng)

15、電源電路設(shè)計(jì)中選用了 LM7812三端集成穩(wěn)壓器，提供+12直流電壓，輸出功率為 15W。在整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。但由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對(duì)于來自電源側(cè)的高頻干擾不能 抑制，因此在整流電路后加入高頻電容，可以進(jìn)一步改善紋波。這些電容應(yīng)選用頻率特性好的陶瓷電容或炭電容。通過電容濾波可以提高 穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性和改變瞬態(tài)響應(yīng)。穩(wěn)壓器的容量和調(diào)整范圍留有充足的裕量。 穩(wěn)壓器的輸入電壓應(yīng)比輸出電壓大一些，取大于等于3V，由多抽頭變壓器T提供。 三端穩(wěn)壓器全都加上了散熱器，以增強(qiáng)工作的穩(wěn)定性。橋式整流電路的工作原理在輸入電壓的正半周，其極性上正下負(fù)，即

16、a點(diǎn)的電位高于b點(diǎn)的電位，二 極管Di和D3導(dǎo)通，D2和D4截止，電流ii的通路是a- Di-Rl- D3-b。在負(fù)載電阻 Rl上得到一個(gè)半波電壓，U1=U2。在輸入電壓的負(fù)半周，其極性上負(fù)下正，即a點(diǎn)的電位低于b點(diǎn)的電位，二 極管D2和D4導(dǎo)通，Di和D3截止，電流i2的通路是b- D2-Rl- D4-a。在負(fù)載Rl上得到一個(gè)半波電壓，Ul=-U2圖3-5單相橋式整流電路但是單相橋式整流電路的輸出含有較大的紋波，這遠(yuǎn)不能滿足我們的要求, 因此需要采取措施，盡量降低輸出電壓中的紋波，同時(shí)還要盡量保留其中的直 流成分，使輸出電壓更加平穩(wěn)，接近直流電壓。濾波電路就是完成此項(xiàng)工作。 電容器和電感器是

17、基本的濾波元件。主要利用電容器兩端的電壓不能突變和流 過電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電阻并聯(lián)或?qū)㈦姼衅髋c負(fù)載 電阻串聯(lián)，即可達(dá)到輸出波形平滑的目的。3.3測(cè)量電路圖3-6測(cè)量電路測(cè)量電路是由IC5 IC7、IC10-1及周圍電路組成。IC5是MC14060 ,其10、11腳的內(nèi)部電路和外面的阻容元件及晶振組成振蕩電路，從9腳輸出穩(wěn)定的1MHz穩(wěn)定的基準(zhǔn)脈沖，送到電子開關(guān)IC10-1的輸入端，經(jīng)電子開關(guān)的控制再送入顯示電路，另一路經(jīng)MC14060本身分頻后，再經(jīng)IC6即MC14040分頻和選擇，（選擇的頻率越低，兩次測(cè)量的間隔時(shí)間越長(zhǎng)， 4腳約為8秒，2腳約為4秒，3腳約為2秒，5

18、腳約為1秒。）得到一頻 率極低的脈沖，此脈沖一路是作為顯示電路的清零，另一路經(jīng)RC微分后在脈沖的下降沿形成一負(fù)脈沖觸發(fā)測(cè)量電路的工作。IC7是時(shí)基集成電路NE555接成典型單穩(wěn)電路，2腳由負(fù)脈沖觸發(fā)后就把電路中的測(cè)量電阻對(duì)CX和Cb（ Cb為效正電容）充電時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的寬度脈沖從3腳輸出，再用此脈沖去控制電子開關(guān)IC10-1的開啟時(shí)間，讓相應(yīng)數(shù)量的基準(zhǔn)脈沖通過，送達(dá)顯示電路進(jìn)行計(jì)數(shù)、譯碼即可顯示電容的容量。本電路中主要具有放大分頻整形的功能，根據(jù)題目要求，放大電路由兩個(gè) 電路組成，一個(gè)是放大10MHz以上的信號(hào)；另一個(gè)是放大10MHz以下的信號(hào)。10MHz以上的信號(hào)從CZ2輸入，先經(jīng)過電容C

19、n的隔離后在IC10（ UPC1651） 中對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大，再經(jīng)過微波分頻電路IC9（AD829）進(jìn)行100倍分頻，從 2腳輸出的信號(hào)送入放大整形電路。而10MHz以下的信號(hào)從CZ3輸入，經(jīng)電容C15隔離后送放大整形電路對(duì)其進(jìn)行放大整形，而共同的放大器是由三級(jí)CMOS反相器IC8 （HEF4069UB）的1-3串聯(lián)而成。放大倍數(shù) M = R28/R31 = 200倍， 已經(jīng)能讓30mV以上的信號(hào)放大到限幅狀態(tài)。而晶振頻率的測(cè)量可以通過CZ4與 IC8的6腳組成一個(gè)振蕩器，其振蕩頻率經(jīng) K1選擇后送入計(jì)數(shù)顯示晶振的工作 頻率。整形電路是由IC8的4-5和R29、R30組成施密特觸發(fā)器，它能將模

20、擬信號(hào)變成邊沿陡直的方波脈沖，進(jìn)功能轉(zhuǎn)換開關(guān) K1送到計(jì)數(shù)電路，用CMOS反相器組成放大器具有輸入阻抗高，功耗小，簡(jiǎn)單可靠，無需調(diào)試等特點(diǎn)。3.3.1 MC14060 的介紹MC14060是二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，它是一種帶有振蕩器的 14級(jí)分頻器電路，用作振蕩器時(shí)帶外接 R、C元件或石英晶體和電容器，數(shù)碼顯示用的時(shí)鐘信號(hào)是由使用場(chǎng)合決定的，MC14060制作脈沖發(fā)生器具有電路 簡(jiǎn)潔，工作可靠，成本低，精度高的特點(diǎn)。MC14060的10腳和11腳的內(nèi)部門電路與外接的晶體元件構(gòu)成典型的晶體振蕩器，在這個(gè)設(shè)計(jì)中振蕩器是由晶體JZ ( 1MHZ )決定，調(diào)節(jié)C3可微調(diào)振蕩頻率，1MHZ的振蕩

21、信號(hào)由 MC14060內(nèi)部的14級(jí)二進(jìn)制分頻器分頻后輸出需要的脈沖信號(hào)。1. 特性廣泛的供應(yīng)電壓為3.0V至15.0V(2) 高的噪聲門限為0.45 Vdd ( typ)(3) 低電平TTL負(fù)載2引腳圖12 1*16畑C132150U 31408Q6413Q9G&512RESETC7611CLQCK百丁100UT1VsslE9OUT 2圖3-7MC14060引腳圖3.真值表表3-1真值表輸入輸出時(shí)鐘復(fù)位QnXH所有輸出為L(zhǎng)L進(jìn)到下一狀態(tài):TL不變3.3.2 MC14040 的介紹MC14040是十二位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器， 具有分頻作用， 被分頻信號(hào)由 CP端輸入，分頻后的信號(hào)分別由Qi Q12輸

22、出，最小分頻數(shù)為 2,最大分頻數(shù)為212=4096，即Qi的輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)的1/2，Q12端的輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)的 1/4096。Q12Q6Q5Q7Q403 Q2Vss 162153141351261171089畑Q11 QWJobQ9RJCQ1圖3-8 MC14040 引腳圖MC14040功能表表3-2 MC14040 功能表時(shí)鐘重置輸出X1所有輸出為低電平0無變化0進(jìn)入到下一狀態(tài)圖3-9量程轉(zhuǎn)換及符號(hào)控制電路量程轉(zhuǎn)換電路是由IC8、IC9和周圍電路組成，IC8是時(shí)基電路NE555接成 單穩(wěn)態(tài)電路，按一下輕觸開關(guān) AN，3腳就輸出一個(gè)脈沖；IC9是分頻計(jì)數(shù)集成 電路MC14017

23、,它接成三分頻方式，三個(gè)脈沖循環(huán)一次，它對(duì)IC8送來的脈沖計(jì) 數(shù)分頻，得電瞬間電路被清零， Qo （集成電路的3腳）出現(xiàn)高電平，相應(yīng)的繼 電器J1吸合，JK1導(dǎo)通把R32接入測(cè)量電路，同時(shí)也在控制 Qo/的5腳為高 電平。如這時(shí)IC6也沒有清零脈沖輸出，那么ICio,的6腳也會(huì)是高電平，根據(jù) 與門電路積得關(guān)系，ICg的4腳會(huì)輸出高電平，這時(shí) Q4導(dǎo)通，通過二極管的 編碼后，單位電路顯示pF字樣。按一下AN后，MC14017的Q1出現(xiàn)高電平， 相應(yīng)的繼電器吸合，轉(zhuǎn)到下一量程，單位電路顯示uF,數(shù)碼管的第一個(gè)小數(shù)點(diǎn)也會(huì)被點(diǎn)亮，完成容量的顯示。電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)由石英晶體振蕩器提供。測(cè)頻時(shí)，標(biāo)

24、準(zhǔn)時(shí)間信 號(hào)經(jīng)過放大整形和一系列分頻，用做控制門電路的時(shí)基信號(hào)，時(shí)基信號(hào)經(jīng)過門控電路形成門控信號(hào)。整個(gè)電路的工作方式是：Ki在1位時(shí)，得電瞬時(shí)IC7電路自動(dòng)清零，3腳（Q） 為低電平，計(jì)數(shù)器被清零。IC6的3腳輸出的脈沖上升沿使IC7的3腳變?yōu)楦唠?平，如此時(shí)放大分頻整形電路有信號(hào)輸出，計(jì)數(shù)電路將開始記錄脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)IC6 輸出兩個(gè)脈沖后（每個(gè)脈沖周期是 0.5秒）再輸出的7個(gè)脈沖將使IC7的7、10、 1、5、& 9、11 （Q3-Q9 ）分別出現(xiàn)高電平，這些腳經(jīng)二極管 D1-D7隔離后接在 計(jì)數(shù)器的鎖存控制端上，使計(jì)數(shù)器顯示剛才記錄的脈沖個(gè)數(shù)，完成一次測(cè)量。C24 是防止計(jì)數(shù)電路在IC7的

25、Q3-Q9電平跳變時(shí)漏計(jì)待測(cè)脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器的工作時(shí) 間關(guān)系是：清零（0.5秒）一一計(jì)數(shù)（1秒）一一鎖存（4.5秒）。K1在2位時(shí)，是方波信號(hào)輸出與校正功能。IC6的5腳將輸出1024Hz的方 波，經(jīng)C16隔離后由CZ1輸出信號(hào)。此信號(hào)的峰值電壓是15V，但電流較小不能 直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，只能做信號(hào)源使用，此時(shí)計(jì)數(shù)電路顯示的數(shù)字即為信號(hào)的頻 率數(shù)、以方便核對(duì)IC6的振蕩頻率是否正好為32768Hz,如不是，調(diào)節(jié)C5使計(jì)數(shù) 電路顯示1024Hz，那IC6的3腳就能輸出精確的2Hz脈沖。即完成校正功能。K1在3位是測(cè)量晶振的功能。此時(shí)插在CZ4上的待測(cè)晶振與IC8的6腳組成 振蕩器，其振蕩頻率經(jīng)K1

26、選擇后送計(jì)數(shù)電路顯示晶振的工作頻率。此振蕩器在 1000KHz 10MHz均能起振，對(duì)測(cè)量?jī)赡_、三腳的晶振非常方便3.4.1 MC14017 的介紹MC14017是帶異步清零、 無預(yù)置端、具有時(shí)鐘禁止端的十進(jìn)制脈沖計(jì) 數(shù)/分配器。它在本次設(shè)計(jì)中用在了脈沖發(fā)生電路和控制電路中，名為IC9。1.簡(jiǎn)要說明MC14017具有三個(gè)輸入端：清零端 RESET,時(shí)鐘端 CLOCK，允許端 CE。如果要用上升沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CP端輸入；如果要用下降沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CE端輸入；MC14017具有10個(gè)輸出端QQ,每個(gè)輸出端 的狀態(tài)與輸入計(jì)數(shù)器的脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)，每一時(shí)刻只有一個(gè)輸出端為“1 ”其余輸出端皆為“

27、 0”。另外，為了級(jí)聯(lián)方便，還設(shè)有進(jìn)位輸出端C0，每輸入10個(gè)脈沖就輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖2. 推薦工作條件電源電壓范圍： 3V15V輸入電壓范圍：0VVDD工作溫度范圍：M類：55 C 125 CE 類：40C 85C3.極限值電源電壓：-0.5V 18V輸入電壓：-0.5V Vdd +0.5V輸入電流：土 10mA貯存溫度：-65 C 150 C4.真值表表3-3真值表時(shí)鐘時(shí)鐘允許清除解碼輸出XXHQ0LXLQnXHLQnTLLQn+1LLQnHTLQnHLQn+15引腳排列Q5HtuVqo01 215RESETQ0314CLOCKQ2J13Q6512気iQ7611 |商Q3fWC4Vss Bg

28、0S圖3-10MC14017引腳排列引出端功能符號(hào)CO:進(jìn)位脈沖輸出端CLOCK :時(shí)鐘輸入端 RESET:清除端CE:時(shí)鐘允許端 Q0-Q9 :十進(jìn)制解碼輸出端 Vdd :正電源 Vss :地如果Q9輸出可作十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如果從其它輸出端輸出可作相應(yīng)的分頻。3.5計(jì)數(shù)顯示電路顯示電路是由IG IC4、Q! Q3數(shù)碼管及電阻電容組成。IG、IC2是MC14543，其功能是把 8421碼轉(zhuǎn)換成七段顯示的十進(jìn)制碼，驅(qū)動(dòng)共陰極 數(shù)碼管。其 5、3、2、4腳是8421碼A、B、C、D的輸入端，9至15腳 七段數(shù)碼a g的輸出端。IC3、IC4是MC14553它是一片三位 8421碼計(jì) 數(shù)器，利用分時(shí)控

29、制可以使用一只譯碼器顯示三位數(shù)字，其9、7、6 5腳是8421碼A、B、C、D的輸出端，1、2、15腳是三位數(shù)碼顯示的掃描 輸出端，12腳是脈沖輸入端，14腳是溢出端3、4腳是外接振蕩電容端。（各集成電路的引腳功能詳見下面介紹）數(shù)碼管是共陰0.5寸紅色5只、綠色兩只。5只紅的作為電容容量顯示，2只綠的作單位顯示，單位顯示是指用數(shù)碼管經(jīng)二極管編碼后顯示（pF或者（1F），并控制小數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)亮，連接方法見電路圖（如圖3-11 ）一 0X_二-&L m 一一 &匕M匕匕二-H一 二 一 -H -ES一11III1II*|aTH.二二三3-11計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路的工作過程為：當(dāng)有脈沖輸入后，IC3

30、的2腳、IC4的10腳和IC5的10腳的閘門信號(hào)同時(shí)開啟，允許計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值送入IC4和IC5的13腳來進(jìn)行鎖存， 這里鎖存的主要目的是由于人眼有一定的視覺暫 留，在10ms之內(nèi)，人眼無法察覺其變化。為了克服其不足，所以要采用 對(duì)其數(shù)字進(jìn)行鎖存。當(dāng)計(jì)數(shù)器對(duì)其數(shù)字計(jì)數(shù)后，要想送入顯示器顯示，先 由IC3直接控制進(jìn)行顯示， 如果超過一定值，通過IC3的5腳溢出端送入IC5 的12腳脈沖輸入端，這時(shí)由IC5對(duì)脈沖計(jì)數(shù)并把得到的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)通過A、B、C、D端輸出給IC2的A、B、C、D輸入端，IC2再把得到的 8421碼轉(zhuǎn) 換成七段顯示的十進(jìn)制碼，從而控制3個(gè)數(shù)碼顯示管進(jìn)行顯示。當(dāng)IC5也超過所能控制

31、顯示的數(shù)值時(shí)，IC5又通過它的14腳溢出端送入IC4的12腳脈沖輸入端，IC4和IC1通過同樣的方式來控制另外2個(gè)數(shù)碼顯示管進(jìn)行顯示o3.5.1 七段LED數(shù)碼管的介紹七段LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED發(fā)光二極管外加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的 LED組合 而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等十個(gè)數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)，使用非常廣泛，其外觀 見圖3-13ZXa j t c def g DP050陰扱公如陽按公共端XZ驅(qū)婭人瑞圖3-12七段LED數(shù)碼管這類數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽極兩種。共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g、dp；共 陰極則是把所有LED的陰極共同

32、連接到接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陽極分別為a、 b、c、d、e f、g、dp。LED數(shù)碼管各發(fā)光二極管的發(fā)光特性和普通二極管類似， 只是正相壓降較大，正向電阻也較大，在一定范圍內(nèi)其正向電流與發(fā)光亮度成正比，由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有 1 2 mmA，最大極限電流也只有10 30mmA，（靜態(tài)總電流800 mmA，每段10 mmA，動(dòng)態(tài)平均電流 45 mmA，峰 值電流100 mmA），所以他的輸入端在5V電源或高于TTL高電平3.5V的電路 信號(hào)相接時(shí)，一定要串加限流電阻，以免損壞器圖3-13數(shù)碼管對(duì)單個(gè)數(shù)碼管來說從它的正面看進(jìn)去，左下角那個(gè)腳位為 1腳，以逆時(shí)針 方向分別為1 10腳，左上

33、角那個(gè)腳便是10腳了，3腳和8腳是連通的，這兩 個(gè)腳是公共腳。3.5.2 MC14543 的介紹1引腳圖圖3-14 MC14543引腳圖由圖可見，它主要包括16個(gè)引腳，分別是:1腳（LD ）:鎖存器禁止端6腳（PH）:相位輸入端8 腳（Vss）：地16腳（Vdd ）：正電源2 5腳（A D）: 8421碼的輸入端7腳（BI ）:空白顯示9 15腳（a-f）:七段數(shù)碼的輸出端。2.真值表：如表3 4所列從表中可以看出通過一定的邏輯運(yùn)算，輸入端A、B、C、D，通過LD的控制，以及相位的控制，輸出其顯示十進(jìn)制數(shù)字。表3-4 真值表輸入輸出L DB IP HDCBAabcdefg顯示x10xxxx00

34、00000 消隱10000001111110010000010110000110000101101101210000111111001310001000110011410001011011011510001101011111610001111110000710010001111111810010011111011910010100000000消隱10010110000000消隱10011000000000消隱10011010000000消隱10011100000000消隱10011110000000消隱000xxxx*輸出組合反向如上圖所示3. 極限參數(shù)表3-5極限參數(shù)特性符號(hào)額定值單位直流電

35、源電壓Vdd-0.5+18VV輸入電壓，所有輸出Vin-0.5 一-Vdd +0.5V每管腳的直流拉電流I10mA工作溫度范圍一I類、u類Ta-55+125-40 +85C蓄電溫度范圍Tstr-65+150c母?jìng)€(gè)輸出端取大連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)電流I OH max I OL min10mA母?jìng)€(gè)輸出端取大連續(xù)輸出功率P H max P L max70mWPOH max = 1 OH WoH VDD )POL min = 1 OL (Vol VSS)3.6采用脈寬調(diào)制法時(shí)的誤差分析1.測(cè)量電容的容量轉(zhuǎn)成脈沖寬度時(shí)誤差要小，解決措施：R32, R33，R34選誤差小的電阻誤差選0.5%。2.基準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生

36、的頻率要穩(wěn)定，解決措施：用石英晶振制作振蕩電 路誤差來源主要包括量化誤差、觸發(fā)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。3.7使用與校正方法本電容表制作完成后，根據(jù)兩次測(cè)量間隔時(shí)間來確定IC6MC14040出的脈沖周期，（一般用4秒）將其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)焊接上，檢查無誤即可開機(jī)工作。 在工作前要元件清單有兩處調(diào)試。一是先調(diào)C3,把IC3的9腳輸出的基準(zhǔn)頻率調(diào)到1.000000MHZ，二是在制作完成時(shí)，先不要接上Cx、Cb,打開電源、本表在 pF量程檔有數(shù)字顯示，這是電路的分布電容，焊入一只電 容Cb，使電容表顯示一個(gè)整數(shù)的值（如200pF），記注此基數(shù)值，以后在測(cè)量pF級(jí)的電容時(shí)、均要減去此基數(shù)值才是被測(cè)電容的真正容量。校

37、正電 容Cb的容量要大于時(shí)基電路 NE555的6、7腳之間的分布電容，大概在 150pF以上。本表在校正后可以測(cè)量 5pF以上的電容。在其它量程上不用 如此調(diào)試，制作完成后就可以工作。以上調(diào)試的步驟不可反向。3.8元件的選擇與制作本電容表使用的集成電路最好使用插座，電阻、電容的選擇不但要考慮其大 小，還要注重它們的性能，如耐壓值、功率、什么材料制作而成的等條件。電 阻除了 R3234以外，均用1/8W的碳膜電阻，電阻R32-34要用精度為0. 5% 以上的金膜電阻以確保電阻值準(zhǔn)確。如無法得到表中的數(shù)值可用串并的方法獲 得。容量小于1F的電容首選鉭電容和高頻瓷片電容，其它可選質(zhì)量好的電容。 二極

38、管為IN4000系列。三極管為C8050系列。繼電器為12V單刀任何系列均可。 數(shù)碼管為0. 5英寸共陰的任何型號(hào)。晶振為鐵封型，精度要高，最好是小數(shù)點(diǎn) 后有四個(gè)零以上的。安裝時(shí)先要把所有的跳線焊好，因?yàn)橛行┨€在集成電路 的下面。電路板為兩塊，一塊是主板，100*120mm,另一塊是顯示板，40*100mm， 為單面板、但元件面需補(bǔ)焊若干條跳線。3.9整機(jī)電路原理圖on、二cd&一一cd winYiiYlL0(1I rnrnaouLX1 F3E4ZZK1第四章Protel DXP的應(yīng)用4.1 Protel DXP 的簡(jiǎn)介Protel自問世以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，從DOS環(huán)境下的Pro

39、tel forDOS 到基于 Windows 的 Protel for Windows 1.0，再到 Protel 98、Protel 99、Protel 99SE,版本在不斷地更新?lián)Q代，近年來又先后推出了 Protel DXP、Altium.Desig ner6.0等版本，新版本的功能越來越強(qiáng)大，智能化程度也越來越高。從目前的生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)來看，Protel DXP已逐步呈現(xiàn)取代Protel 99SE的趨勢(shì)，因此學(xué)習(xí)ProtelDXP的應(yīng)用是非常必要的Protel DXP在功能上全面兼容Protel系列以前版本的設(shè)計(jì)文件，還提供了 混合電路仿真功能，為正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理圖電路中某些功能模塊提供了

40、方便； 提供了全新的FPGA設(shè)計(jì)的功能，這是以前的版本所沒有提供的功能；提供了 更加豐富的原理圖組件庫和PCB封裝庫以及強(qiáng)大的查錯(cuò)功能。Protel DXP將原理圖編輯、電路仿真、PCB設(shè)計(jì)及打印功能有機(jī)地結(jié)合在一起，提供了一個(gè)集 成開發(fā)環(huán)境，因此使用更方便，功能更強(qiáng)大。常見環(huán)境名稱：PCB Document電路板文件 Schematic Library原理圖PCBLibrary document電路板圭寸裝庫文件 Schematic Document原理圖文件。單擊菜單File/New，屏幕顯示如圖4 1所示圖4 1設(shè)計(jì)界面4.2原理圖設(shè)計(jì)步驟1、準(zhǔn)備畫圖(1) 啟動(dòng) Protel DXP第

41、一，從Windows操作系統(tǒng)的開始菜單或桌面快捷圖標(biāo)進(jìn)入 Protel DXP環(huán)境。第二，使用菜單File/New或File/New Design建立新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫文件。第三，使用菜單 File/New，在打開的窗口選擇 Schematic Document圖標(biāo)，建立新原理圖文件，如圖4-2所示 第四，將原理圖文件打開。(2) 設(shè)置原理圖工作環(huán)境。第一，使用菜單Design/Options，在如圖4-2所示的窗口中設(shè)置圖紙尺寸、柵格等內(nèi)容.第二，使用菜單f i| r u a I .Tool/Prefere nee中設(shè)置圖紙移動(dòng)方式和速度等內(nèi)容。圖4-2原理圖圖紙2、設(shè)置元件庫必須有元件庫才能畫圖

42、，所以畫圖前應(yīng)該在元件庫管理器中放置一些元件庫。首先進(jìn)入元件庫管理器，然后單擊Add/Remove按鈕，在出現(xiàn)的窗口選擇 Desig n Expiorer 99SE/Library /Sch路徑，再選則常用的元件庫文件。單擊 0K。 在實(shí)際畫圖中，若所有的元件庫沒有需要的元件，就必須畫元件圖。3、畫圖的簡(jiǎn)單步驟。（1）首先將所有元件從庫中取出來，放置在圖紙上，并調(diào)整好位置。（2）使用連線工具將元件連接起來。（3）設(shè)置元件屬性。（4）使用Tool/Annotate菜單對(duì)元件進(jìn)行編號(hào)。（5）進(jìn)行電氣檢查（ERC）。（6）使用Edit/Export to Spread菜單簡(jiǎn)歷元件列表。（7）使用De

43、sign/Create Netlist 菜單建立網(wǎng)絡(luò)表，為畫電路版圖做準(zhǔn)備。4.3 PCB板圖的設(shè)計(jì)前面介紹了如何設(shè)計(jì)原理圖，設(shè)計(jì)原理圖是為設(shè)計(jì)電路板圖提供基礎(chǔ)。下 面就來看一下如何畫電路板。電路板就是所有電子產(chǎn)品都具有的焊接元件的基 板。設(shè)計(jì)電路板是每一個(gè)學(xué)習(xí)現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人必須學(xué)會(huì)的技術(shù)。1快速確定PCB外形設(shè)計(jì)PCB先要確定電路板的外形，通常就是在禁止布線層（KeepOutLayer）畫 出電氣的布線范圍。在畫之前可以任意畫出兩條橫線和兩條豎線，然后利用“放置工具條”里的“設(shè)置原點(diǎn)”工具將某一條線段的端點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)即坐標(biāo)為（0, 0）,之后雙擊每一條線段，對(duì)其起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐值進(jìn)行相應(yīng)的更改，使4條線段首尾相 接，形成一個(gè)封閉的矩形框，電路板的外型確定也就完成了。如果在畫圖的過程中 需要調(diào)整電路板的大小，只要修改每條線段的相應(yīng)坐標(biāo)值即可，簡(jiǎn)單、快捷。2元件布局開始布局之前首先要通過網(wǎng)絡(luò)表載入元器件，這個(gè)過程中經(jīng)常會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)表 無法完全載入的錯(cuò)誤，實(shí)際上這些錯(cuò)誤主要可歸為兩類，一類是找不到元件，解決 方法是確認(rèn)原理圖中已定義元