數(shù)字電容測試儀

1、17目 錄1 課程設(shè)計的目的12 課程設(shè)計的任務(wù)與要求13 設(shè)計方案與論證23.1 方案的選擇與可行性分析23.2 方案論證34 單元電路的設(shè)計與分析44.1 555定時器組成的多諧振蕩器44.2 555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分64.3 74LS160構(gòu)成的計數(shù)器94.4 譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路105 電路的安裝調(diào)試與仿真105.1 電路的安裝調(diào)試106 結(jié)論136.1 總結(jié)136.2 收獲與體會14參考文獻16附錄1：總體電路原理圖171 課程設(shè)計的目的 （1）掌握簡易數(shù)字式電容測試儀的設(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；（

2、3）學(xué)習(xí)基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、設(shè)計步驟；（4）進一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應(yīng)用；（5）學(xué)習(xí)數(shù)字電路仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧；（6）培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求1、查閱相關(guān)資料；進行總體方案設(shè)計，得到原理框圖；2、要求： 技術(shù)指標(biāo)（1）電容測量范圍：1000p10F，輸出應(yīng)能直接顯示其值，誤差5%，電源電壓選擇+12V。（2）量程可切換，顯示值能夠標(biāo)定。（3）能完成指標(biāo)要求的電容量測試和誤差要求。3、選擇合適器件，進行最終電路圖的仿真；進行仿真實驗4、要求三位同學(xué)實現(xiàn)不同分工。3 設(shè)

3、計方案與論證3.1 方案的選擇與可行性分析數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的大小，從而判斷電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標(biāo)設(shè)計，它的設(shè)計要點可分為倆部分：一部分是數(shù)碼管顯示，另一部分就是要將Cx值進行轉(zhuǎn)換。能滿足上述設(shè)計功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面三種參考方案。方案一：用阻抗法測R、L、C有兩種實現(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。方案二：應(yīng)用基本思想：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。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計

4、數(shù)器計數(shù)，計數(shù)后再運算求出C的值，并送出顯示，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，由tw的寬度就可求出電容的大小?？衫脭?shù)字頻率計的知識，頻率的測量可用計數(shù)器計數(shù)來實現(xiàn)，通過計算參數(shù)使待測電容與計數(shù)值滿足某一函數(shù)關(guān)系，通過這個函數(shù)關(guān)系可表示出待測電容的大小。而測脈沖寬度法事實上與測頻率法相同，脈沖作為門控信號，與時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的固定頻率相“與”，待測電容容量越大，脈沖寬度越寬，則相“與”后產(chǎn)生的計數(shù)脈沖越多，再按照測頻率法的方法就可以測量出待測電容的容量。其實，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(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式儀表實現(xiàn)智能

5、化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。綜上所述，本課程設(shè)計選擇方案三來實現(xiàn)測量電容的容值。3.2 方案論證設(shè)計思路:本設(shè)計是基于555定時器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測量的電容Cx。其脈沖輸入信號是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號的頻率可以根據(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電容的容值范圍。因為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容Cx值的不同而不同的，所以脈寬即是對應(yīng)的電容值，其精確度可以達到0.1%。然后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，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)過譯碼器，然后再送

6、給顯示器顯示，這個時侯，如果標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是Cx的大小。設(shè)計的總體框圖如圖3-1所示。圖3-1 設(shè)計的總體框圖4 單元電路的設(shè)計與分析4.1 555定時器組成的多諧振蕩器由555定時器組成的多諧振蕩器如圖4-1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4-1 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C2上的電壓UC略低于 ，Uo輸出高電平，電源VCC通過R1、R2 給電容C2充電。隨著充電的進行UC逐漸增高，但只要 ， 輸出電壓Uo就一直保持高電

7、平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C2上的電壓UC略微超過 時，使輸出電壓Uo從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，此時電容C2通過R2放電。隨著電容C2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，電路輸出又變?yōu)閁o=1，電容C2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： （4-1）工作波形如圖4-2所示：圖4-2 多諧振蕩器波形振蕩波形的周期為： （4-2）其中 , ，占空比為： （4-3）因為時鐘周期 是在忽略了555定時器6腳的輸入電流條件下得到的，而實際上 6腳有10的電流流入因此，為了減小該電流的影

8、響，應(yīng)使流過的電流最小值大于10。又因為要求Tx=2s，即時鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms。即： 。如果選擇占空比q=0.6，即 q= =0.6 ，由此可求得： ，。取=0.1，則 ： = 11.43K ，=- 5.713K。 取標(biāo)稱值：=5.6K， =12K。最后還要根據(jù)所選電阻、的阻值，校算流過、的最小電流是否大于 10uA 。從圖可以看出，當(dāng)上電壓達到時，流過、的電流最小，為: =95uA 。振蕩周期： 4.2 555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)和多量程選擇部分電路如圖4-3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)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路后加反相

9、器用來控制鎖存計數(shù)值。圖4-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路單穩(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R3對電容C進行充電，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)R3對C充電，電路進入暫穩(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），它實際上為電容C上的電壓由V充到所需的時

10、間，可用下式估算: （4-4）式中R和C為外接電阻和電容。4. 多量程選擇電路 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的外接電阻R設(shè)計了三種，分別對應(yīng)不同的分辨率和量程，這是為了增加測量的精確程度，降低相對誤差，量程10-100uF只需閉合開關(guān)A，讀出晶體管讀數(shù)，然后乘以分辨率，即可得到對應(yīng)待測電容的大小，其他兩個量程也是相同的道理，必須相應(yīng)開關(guān)，讀出讀數(shù)然后乘以分辨率，加上單位uF/5. 原理分析當(dāng)被測電容 Cx接到電路中之后，電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路、和反向器，送給 555定時器的低電平觸發(fā)端2一個負脈沖信號使單穩(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，送入計數(shù)器

11、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)，其輸出端3變?yōu)榈碗娖?，從而封鎖與門，停止計數(shù)。可見，控制脈沖寬度 Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計數(shù)時鐘脈沖的個數(shù)將與Cx的容量值成正比，可以達到測量電容的要求。根據(jù)設(shè)計要求和Tx=1.1RCx可求得R=1.8K微分電路可取經(jīng)驗數(shù)值，取=1K，=10K，=l。4.3 74LS160構(gòu)成的計數(shù)器計數(shù)器主要用來對時鐘進行計數(shù)并送入顯示電路顯示。計數(shù)器選用74LS160進行設(shè)計較簡便。 74LS160是集成同步十進制計數(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位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。由三個74LS160構(gòu)

12、成的計數(shù)器電路如圖4-4所示：圖4-4 計數(shù)電路4.4 譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，由三個74LS47譯碼器和三個數(shù)碼管構(gòu)成的顯示電路如圖4-5所示：圖4-5 譯碼顯示電路圖5 電路的安裝調(diào)試與仿真5.1 電路的安裝調(diào)試(1) 查閱資料，了解數(shù)字電容測試儀的基本工作原理和工作原理電路圖，把整體電路圖分解成一個個單獨的模塊。(2) 通過查閱集成塊的參考書，了解各個模塊中的集成塊的構(gòu)造就作用，對集成塊的使用方法已經(jīng)集成塊的輸入輸出端以及集成塊的進

13、制有一定得了解。(3) 通過網(wǎng)絡(luò)，下載仿真軟件，通過網(wǎng)絡(luò)教程對軟件的使用方法進行學(xué)習(xí)，初步學(xué)會通過該軟件設(shè)計電路圖。(4) 根據(jù)整體電路的要求，設(shè)計出各個部分模塊的電路，通過示波器的檢查，確保各個模塊正常工作。(5) 把設(shè)計好的各個模塊組裝成整體的電路，并且根據(jù)設(shè)計指標(biāo)進行調(diào)試，知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。5.2 電路的仿真仿真測量實驗一：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處連接一個假設(shè)電容值為46的電容， 啟動開關(guān)A,結(jié)果顯示如圖5-1:圖5-1 仿真測試圖1讀數(shù)：47*1=47誤差計算：，符合誤差在±5%之內(nèi)的要求仿真測量實驗二：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處連接一個假設(shè)

14、電容值2的電容， 啟動開關(guān)B結(jié)果顯示如圖5-2所示:圖5-2 仿真測試圖2讀數(shù)：21*0.1=2.1誤差計算：，符合誤差在±5%之內(nèi)的要求。仿真測量實驗三：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處連接一個假設(shè)電容值0.025的電容， 啟動開關(guān)C，結(jié)果顯示如圖5-3所示:圖5-3 仿真測試圖3讀數(shù)：26*0.001=0.026誤差計算：，符合誤差在±5%之內(nèi)的要求。6 結(jié)論6.1 總結(jié)通過上面兩個數(shù)值的測量，可以得出此數(shù)字電容測試儀的設(shè)計是正確的，可以比較準(zhǔn)確的測量出一個待測電容的電容值，并且能夠?qū)⒄`差控制在很小的范圍內(nèi)。只要接入被測電容，打開對應(yīng)的開關(guān)以后，經(jīng)過簡單的換算就

15、可以得到電容的大小值，方便在以后的實驗中對電容的使用。6.2 收獲與體會通過兩周的課程設(shè)計，讓我對數(shù)字電路知識有了進一步的了解，包括對一些元器件的功能和使用法有了進一步的認識，以前的學(xué)習(xí)主要在于原理方面，對器件單一的認知，缺少模塊化的思想，而這次課程設(shè)計正好彌補了以前學(xué)習(xí)的不足，讓我們更加注重于知識的運用，在實踐中加深了對知識的理解。在這次課程設(shè)計中，令我感觸最深的就是幾位同學(xué)團結(jié)合作，一起把所學(xué)的理論知識變?yōu)楝F(xiàn)實生活中的應(yīng)用。在實踐中獲取了不少知識，但更重要的時發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中思考不足動手不足的問題，在今后的學(xué)習(xí)中，我一定會針對這些問題改進學(xué)習(xí)方法，提高動手實踐能力。 從抽到課程設(shè)計的任務(wù)

16、到在軟件中實現(xiàn)其功能，再到報告的撰寫，這兩周的時間對我們來說是受益匪淺的。 這是一次理論與實際相結(jié)合的過程，在這一過程中，我們終于能將所學(xué)的知識應(yīng)用到生活實際中去。以前學(xué)習(xí)總感覺知識與實際脫離的太遠，學(xué)得再好，過不了多長時間就全忘了，到頭來學(xué)了也不知道有什么用，學(xué)了也沒用到實處去。而這次課程設(shè)計，雖然我們只是在軟件上實現(xiàn)其功能，而沒有做出實物，但這也讓我們充分體會到了知識的魅力，實踐的樂趣。在設(shè)計過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計及單位顯示電路的設(shè)計是值得注意的。74LS160對計數(shù)脈沖有一定的要求，同時多諧振蕩器的頻率也會影響測量精度。所以多諧振蕩器的電容電阻值的選擇有一定的講究。在設(shè)計量程時，我是通過改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來設(shè)計的。當(dāng)然，在整個設(shè)計過程中并非只遇到這幾個問題。我們可能會因為一個問題而在電腦前調(diào)試好幾個小時。但這發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程就是我們學(xué)習(xí)的過程。只有這樣，我們才能體會到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學(xué)到知識，開拓思維，提高動手能力。在我看來，拼裝出這個電路是其次，因為在網(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個電路。重要的是培養(yǎng)自己的設(shè)計