電子技術(shù)應(yīng)用實習(xí)報告

1、 數(shù)字式電容測量儀的設(shè)計目 錄1 實習(xí)目的、內(nèi)容和要求.12 設(shè)計原理及軟件簡介3 2.1 設(shè)計原理.3 2.2 Multisim軟件簡介.33 設(shè)計步驟和過程4 3.1多諧振蕩器電路.4 3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路.5 3.3計數(shù)和顯示電路.7 3.4 總電路原理圖.84 設(shè)計的仿真和運行結(jié)果9 4.1 電路的調(diào)試.9 4.2 結(jié)果及分析.105 結(jié)論.11 5.1實習(xí)過程中遇到的困難及解決辦法.11 5.2結(jié)論 .11參考文獻(xiàn).12附錄.13附錄A 數(shù)字式電容測量儀電路圖 .13附錄B 數(shù)字式電容測量儀元器件清單.141 實習(xí)目的、內(nèi)容和要求 1.1 實習(xí)目的本次實習(xí)的目的在于掌握數(shù)字電容測試

2、儀的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。在日常的電路工程或者是電路試驗中，電容是一個最常見的元器件，實際應(yīng)用中，對電容的電容值的準(zhǔn)確度要求也是很高的。但是由于電容自身特性決定了電容和電阻的測量是不一樣的，電容的測量相對于電阻測量復(fù)雜，精確度不高。因此我們旨在設(shè)計一種可以測量電容大小的電路，并且采用七段數(shù)碼管直接在屏幕上顯示電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。1.2 實習(xí)內(nèi)容1.2.1設(shè)計說明：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=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。定時電路多諧振蕩器計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器微分

3、電路自動調(diào)零外接電容圖1 電容測量儀原理框圖1.2.2設(shè)計要求：1.2.2.1基本部分(1) 被測電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)(2) 設(shè)計兩個的測量量程(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于20%1.2.2.2 發(fā)揮部分(1) 至少設(shè)計兩個以上的測量量程，使被測電容的容量擴大到100PF至100F范圍內(nèi)。(2) 測量誤差小于10%。1.3實習(xí)要求（1） 畫出總體設(shè)計框圖，以說明數(shù)字式電容測量儀由哪些相對獨立的功能模塊組成，標(biāo)出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

4、件，在仿真軟件上連接驗證、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(jìn)行合理布局，進(jìn)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)生要解決的問題包括元器件選擇、連接和整體設(shè)計引起的問題。2 設(shè)計原理及軟件簡介2.1 設(shè)計原理定時電路多諧振蕩器計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器微分電路自動調(diào)零外接電容圖2電容測量儀原理圖圖框圖多諧振蕩器產(chǎn)生矩形

5、脈沖波與定時電報和微分電路產(chǎn)生的信號相與后送入計數(shù)器，然后通過譯碼器連接數(shù)碼顯示器，對電容大小進(jìn)行顯示。2.2 Multisim軟件簡介Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器

6、技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。3 設(shè)計步驟和過程3.1多諧振蕩器電路由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖，電路和輸出脈沖如圖圖3 多諧振蕩器電路圖圖4 輸出信號波形在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動的產(chǎn)生矩形脈沖。此電路中用來產(chǎn)生時鐘脈沖信號（如圖所示）。周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與電容充放電時間有關(guān)，充電時間為：T1=（R4+R5）Cln2,，放電時間為T2=R5Cln2,則時鐘信號一個周期為T=T1+T2=(R4+2R5)Cln2。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u=1電容放

7、電時，u=0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。2端作為觸發(fā)信號的輸入端，由U1產(chǎn)生的時鐘脈沖信號來提供。圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖圖6 輸出信號波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。當(dāng)被測電容Cx接到電路中之后，只要按一下開關(guān)S，電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路C1、R1和反向器，送給555定時器的低電平觸發(fā)端2一個負(fù)脈沖信號使單穩(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門使時鐘脈沖信號通過，送入計

8、數(shù)器計數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1RCx然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。即：tw=R2*C2*Ln2=1.1R2*C2。3.3計數(shù)和顯示電路圖7 計數(shù)和顯示模塊電路計數(shù)電路采用74LS160作為計數(shù)器。74LS160是集成同步十進(jìn)制計數(shù)器，該計數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進(jìn)位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。三位的顯示控制模塊由三個芯片級聯(lián)構(gòu)成。顯示部分電路中顯示器用的是DCD-HEX-BLUE顯示器。3.4 總電路圖圖8 總電路圖總電路圖包含多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，計數(shù)器，譯碼器等模塊，能

9、夠成功仿真電容測量儀的功能。4 仿真和運行結(jié)果4.1 電路的調(diào)試電路連接完成后打開仿真開關(guān)，首先觀察顯示模塊是否能夠顯示數(shù)值，若沒有示數(shù)顯示，則使用Multisim 13.0中的示波器逐個檢查各個模塊的信號輸出波形，找出出現(xiàn)問題的模塊根據(jù)設(shè)計原理判斷是連接故障還是原理故障，并加以排除。圖9 示波器檢測輸出波形若顯示器上顯示數(shù)值，觀察是否符合設(shè)計要求，若不符合設(shè)計要求，觀察是否是電容測量量程選擇出現(xiàn)錯誤，改變電容測量量程選擇開關(guān)重新進(jìn)行仿真，觀察結(jié)果。若量程開關(guān)選擇正確，則可適當(dāng)改變電路中原件的參數(shù)值，進(jìn)行不斷的調(diào)試，直到達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)要求。圖10 量程選擇開關(guān)4.2 結(jié)果及分析 4.2.1

10、小量程仿真結(jié)果圖11 小量程測量 電容大小在0.01uF1uF時單刀雙擲開關(guān)置于180K，如圖所示電容大小為0.13uF，結(jié)果顯示為0.14uF，誤差<5%，符合設(shè)計要求。 4.2.2 大量程仿真結(jié)果圖12 大量程測量電容大小在1uF100 uF時單刀雙擲開關(guān)置于1.8K，如圖所示電容大小為73uF，結(jié)果顯示為72uF，誤差<5%，符合設(shè)計要求5 結(jié)論.5.1 設(shè)計過程中遇到的困難及解決辦法在電路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)多諧振蕩器沒有產(chǎn)生輸出信號，示波器的輸出信號一直顯示低電平。將多諧振蕩器電路單獨建立一個設(shè)計圖紙，逐個原件去查找出現(xiàn)故障原因，發(fā)現(xiàn)故障是由于有一根導(dǎo)線沒有連接電源所致，及時對

11、電路進(jìn)行修改，完成調(diào)試過程。把所有模塊全部連接起來以后，運行該數(shù)字電容測試儀時，顯示屏上一開始一直顯示的是111，每次測試的時候都是從111這個數(shù)值的基礎(chǔ)上開始累加。后來經(jīng)過我們對電路的研究，發(fā)現(xiàn)沒有設(shè)計調(diào)零電路，所以我們在電路圖上設(shè)計了一個自動調(diào)零電路，這樣，從111開始計數(shù)的問題就解決了。 5.2結(jié)論在兩個星期的電子技術(shù)應(yīng)用實習(xí)之后，我對電子產(chǎn)品設(shè)計的一般方法和步驟有了深入的了解，我不僅感到了自己的實際動手能力有所提高，更重要的是通過對設(shè)計過程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我對專業(yè)知識的興趣，并為以后能夠結(jié)合實際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。這次數(shù)字電容測試儀的設(shè)計使我把學(xué)到的由

12、555定時器組成的多諧振蕩器和單穩(wěn)觸發(fā)器，74LS160十進(jìn)制加法器以及LED數(shù)碼管都運用到了電路中，從而加深拉了我對這些知識的理解和運用，使我受益匪淺。通過這次實習(xí)，使我認(rèn)識到了自己要學(xué)習(xí)的還有很多的?？傊?，很感謝學(xué)校給我們這次實習(xí)的機會。課程實習(xí)不但鍛煉了我們的動手能力還讓我們對自己所學(xué)的專業(yè)知識有了更深的理解。在此期間，在老師的身上我也學(xué)得到很多實用的知識，在此表示對我們指導(dǎo)老師的感謝。還有我們同組的幫助過我的同學(xué)也表示感謝。參考文獻(xiàn)1. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩白主編 高教出版社 2. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石主編 高教出版社 3. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗電子電路實驗.設(shè)計.仿真陳大欽主編華科出版社 4. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計 高吉祥主編 國防科技大學(xué)出版社 5. 電子測試技術(shù) 金唯香、謝玉梅主編 湖南大學(xué)出版社 附錄A 數(shù)字式電容測量儀電路圖附錄B 數(shù)字式電容測量儀元器件清單