《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)電容測(cè)試儀

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 楊堅(jiān) 專業(yè)班級(jí)： 電信1006 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：電容測(cè)試儀初始條件：具備電子電路的基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)能力；具備查閱資料的基本方法；熟悉常用的電子器件；熟悉電子設(shè)計(jì)常用軟件的使用；要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、設(shè)計(jì)電容數(shù)字測(cè)試電路；2、測(cè)量電容范圍：100pf1f；3、數(shù)碼管顯示電容值；4、掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試方法；5、撰寫符合學(xué)校要求的課程設(shè)計(jì)說明書。時(shí)間安排：時(shí)間一周，其中2天原理設(shè)計(jì)，3天電路調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師

2、）簽名： 年 月 日目錄1 緒論31.1 選題背景31.2 設(shè)計(jì)要求32系統(tǒng)概述42.1 方案的選擇及可行性分析42.2 方案論證52.2.1 設(shè)計(jì)思路52.2.2 設(shè)計(jì)的總體框圖53.1 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器63.2 用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路63.3 74ls160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器73.4 74ls273鎖存器83.5 74ls247譯碼器83.6 數(shù)碼管顯示電路94 電路總體描述及功能實(shí)現(xiàn)104.1 電路參數(shù)選擇104.2 產(chǎn)品使用說明104.3 仿真安裝與調(diào)試105實(shí)物制作與調(diào)試115.1制作115.2調(diào)試116結(jié)論126.1 總結(jié)126.2 收獲與體會(huì)12參考文獻(xiàn)14附件1

3、15附件216附件317附件418本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表191 緒論1.1 選題背景 電阻、電容、電感是電工領(lǐng)域中最基本的物理量。對(duì)于從事電氣技術(shù)的工作者、生產(chǎn)人員，電容測(cè)量儀是不可缺少的常用儀表。任何一種儀器、儀表在保證一定的技術(shù)指標(biāo)的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、價(jià)格低廉是評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。 各種各樣的電容器，它們?cè)陔娐分蟹謩e起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，用字母c表示。顧名思義，電容器就是“儲(chǔ)存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為的極板，中

4、間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。 由于電容元件本身的儲(chǔ)能特性，因此它被廣泛地應(yīng)用于整流，濾波，耦合，振蕩等電路中，幾乎成為現(xiàn)代整機(jī)產(chǎn)品中不可或缺的分立元器件。因此，無論是對(duì)電容生產(chǎn)廠商或整機(jī)設(shè)計(jì)維修工程師來講，通過電容測(cè)量儀準(zhǔn)確地了解電容元件的參數(shù)特性都非常有必要，尤其是模擬電路和射頻電路設(shè)計(jì)工程師。 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)電路的性能有重要的影響，此次我的課程設(shè)計(jì)就是用數(shù)字顯示方式對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量。 1.2 設(shè)計(jì)要求 (1) 被測(cè)電容的容量在100pf至1f范圍內(nèi)。(2) 設(shè)計(jì)測(cè)量量程。(3)

5、 用位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果2系統(tǒng)概述2.1 方案的選擇及可行性分析 數(shù)字式電容測(cè)量儀的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測(cè)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(jì)，它的設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。能滿足上述設(shè)計(jì)功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面四種參考方案：方案一：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯 示?？捎?55集成定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=rc31.1rc。從式中可以看出，當(dāng)固定時(shí)，改變電容c則輸出脈寬tw跟著改變，由tw的寬度就可以求出電容的

6、大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓vo取平均值，由于電容量的不同，tw的寬度也不同，則vo的平均值也不同，由vo的平均值大小可以得到電容c的大小。如果把平均值送到a/d轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但是我們對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分，設(shè)計(jì)有一些困難。方案二：用阻抗法測(cè)r、l、c有兩種實(shí)現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測(cè)元件電壓；永恒壓源供電，然后測(cè)元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測(cè)量范圍很窄。方案三：像測(cè)量r一樣，測(cè)量電容c的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖2.1所示。只是電容c要用交流電橋測(cè)量。電橋的平衡條件是： z1*zn*expj（1+n） =z2*zx*ex

7、pj（2+x） 圖2.1 電橋電路通過調(diào)節(jié)阻抗z1、z2使電橋平衡，這時(shí)電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可求出被測(cè)電容。用這種方法測(cè)量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動(dòng)，電橋的平衡也難以用簡單電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。方案四：應(yīng)用基本思想：把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測(cè)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，技術(shù)后再運(yùn)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，可利用數(shù)字頻率計(jì)的知識(shí)，把此脈沖作閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計(jì)數(shù)脈沖，該計(jì)數(shù)脈沖送至計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可得

8、到電容量的數(shù)據(jù)。其實(shí)，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(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。因此本設(shè)計(jì)我們采用此方案。2.2 方案論證 2.2.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)中用555振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計(jì)數(shù)器的cp脈沖也就 是標(biāo)準(zhǔn)頻率。同時(shí)把待測(cè)電容c轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容c成正比。用這個(gè)寬度的矩形脈沖作為閘門信號(hào)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，合理處理計(jì)數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即為被測(cè)電容值。或者把此脈沖作為閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計(jì)數(shù)脈沖，該計(jì)數(shù)脈沖送計(jì)數(shù)

9、鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋鈕控制量程的選擇。用計(jì)數(shù)器控制電路控制總量程。如果超過電容的量程，則報(bào)警并清零。 2.2.2 設(shè)計(jì)的總體框圖 該方案的總體方框圖如圖2.2所示：定時(shí)電路多諧振蕩器計(jì)數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器微分電路自動(dòng)調(diào)零圖2.2 原理框圖被測(cè)電容3 單元電路設(shè)計(jì)分析3.1 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 電路圖及其輸出波形如下圖所示，其工作原理如下：由圖3.1所示，可以求得電容c1上的充電時(shí)間t1和放電時(shí)間t2 ： t1=（r1+r2）c20.7（r1+r2）ct2=r2c20.7r2c所以輸出波形的周期為t=t1+t2=（r1+2r2）c20.7（r1+2r2）cr

10、1=4.7k，r2=12k，t2ms振蕩頻率 f=1t1.44（r1+2r2）c500hz占空比 q= （r1+r2）（r1+2r2）58.2 圖3.1 多諧振蕩電路及輸出波形3.2 用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路 用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形如圖3.2所示，其工作原理如下：接通電源瞬間，vc=0，輸出vo=1，放電三極管t截止。vcc通過r給c充電。當(dāng)vc上升到2vcc3時(shí)，比較器c1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)基本rs觸發(fā)器置0，輸出vo=0.同時(shí)放電三極管t導(dǎo)通，電容c放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)vi=1.當(dāng)輸入負(fù)脈沖時(shí)，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使vo=1，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于vo=1，三

11、極管t截止，電源vcc可通過r給c充電。當(dāng)電容c充電至vc=2vcc3時(shí)電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出vo=0，t導(dǎo)通，電容c放電，電路自動(dòng)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。可見，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間由rc電路參數(shù)決定。若忽略t的飽和壓降，則電容c上電壓從0v上升到2vcc3的時(shí)間，即輸出脈沖寬度tw為： tw=rc31.1rc 圖3.2 單穩(wěn)態(tài)電路及輸出波形3.3 74ls160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器 74ls160是集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計(jì)數(shù)和保持四種功能有進(jìn)位信號(hào)輸出端，可串接計(jì)數(shù)使用。由三個(gè)71604ls160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路如下圖所示 圖3.3 計(jì)數(shù)電路3.4 74ls273鎖存器 由74ls273構(gòu)成

12、的鎖存電路對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存。74ls273工作原理是：mr為高電平，當(dāng)clk輸入為上升沿時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鎖存，鎖存后輸出不再隨輸入信號(hào)變動(dòng)，直至下一個(gè)上升沿到來。這里的clk輸入由單穩(wěn)態(tài)輸出接反相器得到。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)輸出為低電平時(shí)，表示定時(shí)結(jié)束，同時(shí)鎖存電路對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存。以正確顯示電容值。電路如下所示： 圖3.4 鎖存電路3.5 74ls247譯碼器 74ls247芯片的功能即將四位二進(jìn)制表示的數(shù)進(jìn)行譯碼，以驅(qū)動(dòng)共陽的七段數(shù)碼管顯示其值。電路圖如下所示： 圖3.5 譯碼電路3.6 數(shù)碼管顯示電路 由任務(wù)要求知，用三位數(shù)碼管顯示被測(cè)電容值的大小。因?yàn)樽g碼電路用的是74ls247，并且0.01uf

13、-1uf檔位的設(shè)計(jì)采用1-100乘以0.01，所以這里選用八段共陽數(shù)碼管，當(dāng)量程為0.01uf-1uf時(shí)，第二位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)亮。 圖3.6 數(shù)碼管顯示電路4 電路總體描述及功能實(shí)現(xiàn) 4.1 電路參數(shù)選擇 以電容值0.1uf為例，因?yàn)闇y(cè)試電容的原理是:閘門信號(hào)tw=1.1rcx，而振蕩器輸出周期為t=0.7（r1+2r2）c的基準(zhǔn)脈沖，我們?cè)O(shè)置電路使0.7（r1+2r2）c*n=1.1rcx，等式兩邊同時(shí)約去n和cx，那么在閘門信號(hào)閘門內(nèi)有n個(gè)基準(zhǔn)脈沖，電容值就為n(cx)。 4.2 產(chǎn)品使用說明 將被測(cè)電容安裝在單穩(wěn)態(tài)電路中電容c3位置處，選擇一個(gè)量程的開關(guān)合上，并點(diǎn)擊運(yùn)行開關(guān)。若顯示值在0

14、-100之間，則說明量程選擇正確；若顯示值為000，則說明量程選擇大，應(yīng)調(diào)小量程；若顯示值大于100，則說明量程選擇太小，應(yīng)調(diào)大量程。如果單位顯示為pf，則第三個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)會(huì)亮，說明被測(cè)電容值測(cè)量結(jié)果應(yīng)為顯示值乘以100。4.3 仿真安裝與調(diào)試（1）按照總電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試。本設(shè)計(jì)在proteus軟件里調(diào)試。（2）當(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕時(shí)，555多諧振蕩器開始工作，輸出周期為 t=0.7（r1+2r2）c 的方波信號(hào)。將多諧振蕩器輸出的脈沖送往74ls160開始計(jì)數(shù)，同時(shí)將輸出信號(hào)結(jié)至單穩(wěn)態(tài)電路輸入端，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行定時(shí)功能。（3）在多諧振蕩器輸出輸出周期性脈沖的時(shí)候，55

15、5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端會(huì)不斷地輸入方波脈沖，由555單穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)我們可以知道，當(dāng)負(fù)脈沖到來時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會(huì)輸出為寬度為是tw=1.1rc的正脈沖；（4）從理論上講，我們可以通過74ls160輸出所測(cè)電容的大小，但是由于555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的負(fù)脈沖時(shí)間非常短，我們幾乎從顯示器上無法確定單穩(wěn)態(tài)負(fù)脈沖的到來，因此我們用了一個(gè)74ls273做成的鎖存器。當(dāng)555單穩(wěn)態(tài)輸出負(fù)脈沖時(shí)，我們將此信號(hào)經(jīng)過一個(gè)非門，去控制74ls273的cp脈沖，在555輸出正脈沖時(shí)鎖存器不輸出數(shù)據(jù)，只有555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出負(fù)脈沖時(shí)，控制74ls273的cp脈沖輸出當(dāng)前的數(shù)據(jù)；（5）根據(jù)課程設(shè)計(jì)的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)量程

16、，分別由接在555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6、8腳的電阻器來完成的。通過控制電阻的大小，可以控制輸出正脈沖的寬度，即定時(shí)時(shí)間長短，間接的控制輸出電容的量程，同時(shí)在輸出不同的量程的時(shí)候，我們通過電路控制不同的顯示加以區(qū)別；選取了6個(gè)待測(cè)電容進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如下表4-1所示。其中部分仿真結(jié)果如下圖所示： 表4-1 調(diào)試結(jié)果記錄被測(cè)電容標(biāo)稱值測(cè)量值測(cè)量誤差c1100pf(101)1*100pf0c22000pf(332)19*100pf5%c30.01uf(103)0.01uf0c40.47uf(333)0.47uf0c51uf(684)1uf0c668uf68uf05實(shí)物制作與調(diào)試5.1制作事物的制作考慮到數(shù)電

17、跳線多且芯片引腳可能有差別我選擇用洞洞板做而沒有用pcb板做。首先，購買好元件根據(jù)元件在紙上布好局。布局后根據(jù)布局焊接電路，焊接過程中根據(jù)需要適當(dāng)?shù)母膭?dòng)布局。5.2調(diào)試實(shí)物焊好后，用萬用表測(cè)量每一條線路是否導(dǎo)通，是否焊錯(cuò)。之后，接通電源，用萬用表測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓狀況，改正。一般來說，剛做的電路不可能一接電源就是好的。接入電源后沒有預(yù)期的結(jié)果，用示波器觀測(cè)發(fā)現(xiàn)多謝振蕩器有方波輸出但數(shù)據(jù)不對(duì)，檢查發(fā)現(xiàn)它的兩個(gè)電容接反了。就這樣一步步，后面又發(fā)現(xiàn)了芯片輸入輸出接反了，流過芯片電流過大芯片發(fā)燙的問題。一一解決后，測(cè)量一組電容，記錄數(shù)據(jù)見附件46結(jié)論6.1 總結(jié) 該數(shù)字電容測(cè)試儀完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的基本要

18、求，儀表具有性能可靠、精度高、操作簡單，顯示直觀等特點(diǎn)。不足之處在于當(dāng)被測(cè)電容值100pf-0.01uf之間時(shí)。測(cè)量誤差較大。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求用三個(gè)數(shù)碼管顯示，而該量程為0.0001uf-0. 01uf或者說是100pf-10000pf，設(shè)計(jì)該量程時(shí)采用顯示值乘以100的方法來表示被測(cè)電容值，這樣一來雖然三個(gè)量程的顯示值都在1-100之間，但100pf-0.01uf檔位的誤差就較大了。6.2 收獲與體會(huì) 從抽到課程設(shè)計(jì)的任務(wù)到在軟件中實(shí)現(xiàn)其功能，再到報(bào)告的撰寫，這一周的時(shí)間對(duì)我們來說是受益匪淺的。 這是一次理論與實(shí)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(shí)應(yīng)用到生活實(shí)際中去。以前學(xué)習(xí)

19、總感覺知識(shí)與實(shí)際脫離的太遠(yuǎn)，學(xué)得再好，過不了多長時(shí)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(shí)處去。而這次課程設(shè)計(jì)，雖然我們只是在軟件上實(shí)現(xiàn)其功能，而沒有做出實(shí)物，但這也讓我們充分體會(huì)到了知識(shí)的魅力，實(shí)踐的樂趣。 由于我開始有自學(xué)過單片機(jī)，用過proteus軟件，對(duì)一些功能模塊比較熟悉，所以接到設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)對(duì)各部分電路有了整體的認(rèn)識(shí)。結(jié)合相關(guān)的資料，我便開始設(shè)計(jì)起電路圖來。在設(shè)計(jì)過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計(jì)及單位顯示電路的設(shè)計(jì)是值得注意的。74ls160對(duì)計(jì)數(shù)脈沖有一定的要求，同時(shí)多諧振蕩器的頻率也會(huì)影響測(cè)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(jì)量程時(shí)，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(jì)的。 當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中并非只遇到這幾個(gè)問題。我們可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)問題而在電腦前調(diào)試好幾個(gè)小時(shí)。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(huì)到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學(xué)到知識(shí)，開拓思維，提高動(dòng)手能力。在我看來，拼裝出這個(gè)電路是其次，因?yàn)樵诰W(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個(gè)電路。重要的是培養(yǎng)自己的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，解決問題的能力。 在這兩周期間，同學(xué)們相互討論，相互交流，相互學(xué)