數(shù)字測容儀課程設(shè)計報告(1)課案

1、EAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY數(shù)字電路課程設(shè)計報告數(shù)字電容測試儀班級：122370141XXX 201220370141指導(dǎo)老師：XXX2016-12-11一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)字電容測試儀二、設(shè)計要求1. 基本要求：（1）設(shè)計一個能測量電容范圍在1微法到100微法之間的電容測試儀；（2）用3個數(shù)碼管顯示（3）測量精度要求+-10% （準(zhǔn)確值以萬用表的測量值為準(zhǔn)）。2. 擴展要求：通過選擇量程的方法擴展電容的測量范圍，最大要求0.01微法到1000微法。三、總體思路方案（一）：設(shè)法將電容的大小轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓量，在把電壓量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來進行

2、測量，此方法要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，而由于我們上課對此了 解不深，并且沒有使用過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此此處不使用此思路方案（二）：設(shè)法將電容的大小轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的脈沖數(shù)，測量脈沖數(shù)目并進行 譯碼，用數(shù)碼管顯示結(jié)果。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成輸出 脈沖的寬度，即控制脈沖寬度 Tx與Cx成正比。只要將此脈沖作為計數(shù)器的控 制信號，即可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，然后再經(jīng)過譯碼器送 至數(shù)碼管顯示。時鐘脈沖可由555構(gòu)成的多諧振蕩提供。如果時鐘脈沖的頻率等 參數(shù)合適，數(shù)碼管顯示的數(shù)字便是 Cx的大小。此次課程設(shè)計按此思路設(shè)計。四、設(shè)計實現(xiàn)實驗設(shè)計框圖如下：實驗各模塊電路具體原理圖設(shè)計：

3、(1) 脈沖形成電路：此電路由555時基電路芯片與分立元件構(gòu)成 此模塊要求將被測電容Cx的大小轉(zhuǎn)換成脈沖信號。具體電路如下：被測電容Cx的充放電時間分別為：Ti= ( R1+R2+RP)CxLn2T 2=R2CxL n2可以通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)輸出脈沖的低電平時間，而高電平持續(xù)時間則是由被測電容決定。通過此方法就把被測電容轉(zhuǎn)換成了脈沖信號。(2) 時基電路與控制電路產(chǎn)生10Hz的脈沖計數(shù)信號。先由555時基電路產(chǎn)生1KHz的脈沖信號，再由74LS90芯片對其進行100分頻(100 分頻可由兩片74LS90組合而成)，貝U可得到10Hz的計數(shù)信號。具體電路如下：C4 0. D讖安(3) 計數(shù)器模

4、塊先將電容轉(zhuǎn)換成的脈沖信號送至 74LS123芯片通過其12端口輸出的脈沖信 號去控制計數(shù)器的清零。并將其13端口的脈沖信號送至譯碼器模塊作為譯碼器的 時鐘信號。再把前面產(chǎn)生的10Hz計數(shù)信號與電容轉(zhuǎn)換成的脈沖信號通過與非門后送計 數(shù)器作為計數(shù)信號。在計數(shù)器的清零端口可以接一個開關(guān)電路，來控制計數(shù)器的清零與計數(shù)。(4)通過計數(shù)器將計數(shù)信號送至74LS273寄存器然后送至數(shù)碼管進行顯示輸出 實驗總原理圖如下：R1 68KW1 60KR236KIR 1TCCR1CJK+ 4,7n0.D2ST4-CxTPISTH IC1 OUT，5E5t%nd VCnrr-r O.OluISJ0. 25S當(dāng)們待測電

5、客為1W 黯薩出高電平ROl K02 S91 S02CPqCP】1C374LS90J? 9111415131211J1TL10Hz訂3 訂 TROl K02 391 陽2 CPcIC474LS90CPiQo Qi Q2 Qs111416VCC 1Rex ICei LQ 和 2R 2TR+ 2TR-IC274LS1231TK- 1TR 1R 1Q 2Q 2Cex 2Rex GND51 20：復(fù)位開關(guān)1：計頻ROl R02 S91 S52CFoCP】ICS74LS909S3478Qo Qi Qk Q?14ctK1OK bKOI R02 S91S92 CP0ICG74LS90L1,12982嚴(yán)131

6、41716116D 7D SDID 2f 3D 4D VCC 5011SR VCC3Tl2TCC+5VC30. mTBISTH 1C7 OUT， 5E5IC374LS273JL0.02SR45. SK吒ND耽-r 0.01M 十hC斗按總電路圖分模塊連接好實驗電路25910_ 1215L67126712IQ 2Q 3Q 4Q GHD 5Q 6Q7Q 8Q14131?111Q91514131?111091DT6421110T6421A B C DIC9 74LS47(48)f g a b c d eA B C BIC10 74LS47(48) f g a b c d ea3 :Hb8c_ hdO

7、n53f| E |b8COhs五、故障分析與調(diào)試在按照實驗原理圖連接好電路后，發(fā)現(xiàn)并不能得到實驗結(jié)果。 進行電路部分測試發(fā)現(xiàn)主要故障有以下幾點：1、在單獨連接各個模塊電路時，所有模塊功能都基本能夠正常工作，而電 路整體組合后，在芯片74LS123的12號端口測試時卻發(fā)現(xiàn)沒有測試到任何信號， 沒有出現(xiàn)需要的脈沖電平。（分析與調(diào)試 ：在測試此芯片其它各個管腳都正常后， 懷疑芯片可能有問題， 故換了另一塊芯片， 測試還是沒有信號， 暫時排除芯片損壞的可能。 猜測可能是 受后面電路的影響， 吧它與后續(xù)電路斷開連接， 測試還是沒有信號， 而在最開始 連接此電路時有正常信號！因此分析猜測可能是電路受到自身

8、干擾信號的影響， 因此在芯片的電源管腳增加了一個 0.01微安的電容接地， 以此來減少干擾信號的 影響。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)所有管腳能夠正常工作并得到所需要的脈沖信號。 ）2、從時基電路經(jīng)過控制電路按照原理該輸出的 10Hz脈沖連接到發(fā)光二極管 測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管閃爍過快，其頻率遠大于 10Hz。（分析與調(diào)試：由于時基電路輸出的1KHz頻率過大，用發(fā)光二極管不能測 試出，所以首先懷疑其可能沒有正常工作。檢查 555芯片線路連接沒有錯誤，并 測試各管腳正常后， 暫時排除其未正常工作。 再測試控制電路， 從第一塊 74LS90 的14端口輸入一個低頻率的連續(xù)脈沖，發(fā)現(xiàn)第二塊 74LS90芯片的11端口連接

9、到 發(fā)光二極管上能夠正常閃爍，則排除控制電路有問題，那只可能是555時基電路部分的原因。前面已經(jīng)測試 555電路沒有問題，而發(fā)現(xiàn)在連接電路時并沒有連接 原理圖上的電位器，則猜測可能是由于這里的參數(shù)問題。再把2.2K的電阻改成5.6K后，再測試輸出脈沖，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本達到10Hz的要求。）3、數(shù)碼管未能正常顯示數(shù)字，顯示的不是0-9中的任何數(shù)字，特別是ab兩筆 總是同時發(fā)光。（分析與調(diào)試：首先再次測試數(shù)碼管的好壞， 斷開數(shù)碼管與前面電路的連接， 測試發(fā)現(xiàn)有幾筆不能正常發(fā)光， 而數(shù)碼管又是新的， 則懷疑可能是面包板里面的 銅片沒有連接上， 用力把面包板壓平， 把后面的銅片壓進去后測試發(fā)現(xiàn)都能正常 發(fā)

10、光了。再重新連好電路，發(fā)現(xiàn)其它都正常，而ab兩筆還是同時發(fā)光，測試輸入， 發(fā)現(xiàn)無論從其中一片74LS47的12或十三端口測試，ab都會發(fā)光，初步斷定問題 出在這里，懷疑面包板此兩處可能短路了，在把芯片拔出后測試，結(jié)果一樣，確 定面包板短路。因此，把次芯片換地方，放到另一面包板上，連接好線路，發(fā)現(xiàn) 數(shù)碼管能夠正常顯示數(shù)字了。 ）4、在解決并調(diào)試好以上故障后，測試的本是 10微安的電容，結(jié)果顯示出 23 微安。（分析與調(diào)試 ：電路已經(jīng)能夠正常工作， 那應(yīng)該是電路參數(shù)的設(shè)置問題， 可 能是前面的10Hz不夠準(zhǔn)確，再改變555時基電路4與7端口的電阻值，發(fā)現(xiàn)對顯示 大小有影響，確定問題所在，經(jīng)多次改變

11、電阻，最終調(diào)節(jié)出正確的顯示結(jié)果。 ） 在解決以上所有故障并調(diào)試好電路后， 整體電路已經(jīng)能夠正常工作， 可以測 量電容大小。六、實驗數(shù)據(jù)與誤差分析實驗分組測量數(shù)據(jù)如下：被測電容大小實際測量值測量誤差4.7微安5微安6.38%10微安10微安020微安20微安033微安33微安047微安47微安057微安57微安068微安71微安4.41%80微安85微安5.59%90微安96微安6.67%實驗誤差分析：1在被測電容為1-10微安時，由于電容過小，而測量電路不能顯示小數(shù)位，故測 的的第一個數(shù)據(jù)4.7微安為5微安，為正常誤差范圍。2. 在被測電容為10-60微安時，整數(shù)電容實驗測量結(jié)果基本沒有誤差。

12、3. 在被測電容為60-100微安時，實驗測量數(shù)據(jù)存在明顯誤差，被測電容大，誤差相對較大，但在實驗要求的測量精度范圍允許之內(nèi)。出現(xiàn)誤差的原因可能是因為 被測電容本身的容值不夠準(zhǔn)確，還有被測電容大，轉(zhuǎn)化成的脈沖信號的高電平時 間長，而可能與低電平時間比例不夠合適， 導(dǎo)致出現(xiàn)一定的誤差。另一方面電路 中的10Hz脈沖信號不夠準(zhǔn)確的原因，因為10Hz脈沖越準(zhǔn)確，實驗誤差會越小。 總之，實驗產(chǎn)生的誤差在測量精度允許的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為此次實驗基本達到要求。七、實驗芯片介紹1、555定時器介紹：原理圖如下%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

13、地之間加上電壓，當(dāng)5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 /3。若觸發(fā)輸入端 TR的電壓小于VCC /3，貝吐匕較器 C2的輸出為0 ， 可使RS觸發(fā)器置1 ,使輸出端 0UT=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，貝U 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。2、74LS90芯片介紹：74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十進制計數(shù)器，R0(1),R0(2)是清零端， R9(1)，R9(2)是置9端，CP和Q可組成一個二進制計數(shù)器，CR和QQQ組成五 進

14、制計數(shù)器；若把Q和CR相連，脈沖從CP輸入，則構(gòu)成8421BCD碼十進制計 數(shù)器。將輸出Q3與輸入CP相接，脈沖從CR輸入則,構(gòu)成5421BCD碼十進制計數(shù)3、74LS123芯片介紹：74LS123內(nèi)有兩組多諧振蕩器，這個直流觸發(fā)多振蕩器的特點是由三種方法控制 脈沖寬度，最基本的是選取外部的RC值來控制。IC內(nèi)部已經(jīng)有一個定時電阻(內(nèi) 部時間選擇電阻器只在LS122上),因此允許只外接定時電容使用。其功能特點： 清零終止輸出脈沖；為VCC和溫度變化補償；直流觸發(fā)是高電平或電平邏輯輸入 其各管腳功能如下：序號符號功能11A觸發(fā)輸入1A21B觸發(fā)輸入1B31 CLR清零141Q非反相輸出152Q輸出262Cext外接定時電容272Rext/Cext外接定時電阻/電容28GND地92A觸發(fā)輸入2A102B觸發(fā)輸入2B112CLR清零2122Q非反相輸出2131Q輸出1141Cext外接定時電容1151Rext/Cext外接定時電阻/電容116VCC電源4、74LS273芯片介紹：74IS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存 功能，鎖存控制端為11腳CLK采用上升沿鎖存。CPU的ALE信號必須經(jīng)過反 相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK端相連。74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1QH8Q為數(shù)