數(shù)字電容測試儀1

1、1課程設(shè)計目的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。在實際操作中，對電容的測量存在許多麻煩，數(shù)值的表現(xiàn)也不夠直觀。為此，我們查閱資料，根據(jù)所學(xué)的知識，設(shè)計了一個數(shù)字電容測試儀，只要接入被測電容，打開開關(guān)以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。2 課程設(shè)計指標(biāo)(1) 被測電容的容量在0.01至100范圍內(nèi)。(2) 設(shè)計測量量程。(3) 用2位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于20%。(4) 相應(yīng)時間不超過2s。3 課程設(shè)計原理3.1 設(shè)計原理框圖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

2、動調(diào)零外接電容圖3.1 電容測量儀原理框圖3.2 方案設(shè)計利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴(yán)格 與 Cx成正比只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時鐘脈沖相與，便可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，然后再送給顯示器顯示 如果時鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小。之所以選擇該方案是考慮到這個方案不僅設(shè)計比較容易實現(xiàn)，而且必要時還可以擴展量程，更重要的是該方案設(shè)計出來的數(shù)字測試儀測量的結(jié)果比較精確。3.3 模塊介紹3.3.1 控制器電路控制器的主要功能是根據(jù)被測電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制

3、脈沖寬度 Tx圖2所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖該電路的工作原理如下：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、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)，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。由于設(shè)計要求 ，Cx的變化范圍為 1999，且測量的時

4、間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999)時 Tx<2s，根據(jù) Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分電路可取經(jīng)驗數(shù)值，取=1K，=10K，=l。3.3.2 時鐘脈沖發(fā)生器這里選用由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)時鐘產(chǎn)生功能。電路原理圖及其輸出波形如圖 3所示。振蕩波形的周期為： 其中，占空比為： 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響，應(yīng)使流過的電流最小值大于10。又因為要求 Cx =999時，Tx=2s，所以需要時鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生 999脈沖即時鐘脈沖周期應(yīng)為T=

5、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： 可見所選元件基本滿足設(shè)計要求為了調(diào)整振蕩周期，可選用5.6K的電位器3.3.3 計數(shù)和顯示電路由于計數(shù)器的計數(shù)范圍為1999，因此需要采用 3個二十進制加法計數(shù)器這里選用 3片74LS160級聯(lián)起來構(gòu)成所需的計數(shù)器一片74LS160和數(shù)碼管連接如下圖:三片74LS160和三個數(shù)碼管連接出來的

6、顯示圖如下圖：4 設(shè)計的步驟和過程4.1 設(shè)計制作的過程(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制有一定得了解。(3) 通過網(wǎng)絡(luò)，下載EWB(Electronics Workbench)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)

7、進行調(diào)試，知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。4.2 時鐘及控制信號的關(guān)系等由于利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴(yán)格 與 Cx成正比。因此，只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時鐘脈沖相與，便可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，然后再送給顯示器顯示，這個時侯，如果時鐘脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小測量值用數(shù)碼管顯示及單位的確定，對不同的轉(zhuǎn)換方法所得的結(jié)果有不同的測量方法。如將電容容量轉(zhuǎn)換為電壓，則可通過AD轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，再接至數(shù)碼管顯示。而頻率的測量則可用計數(shù)器計數(shù)來實現(xiàn)，通

8、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。5 設(shè)計的仿真與運行結(jié)果5.1 電路的調(diào)試重按照整機電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試計數(shù)和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，不用調(diào)整主要調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器和控制器.首先調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復(fù)合設(shè)計要求用頻率計檢測電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測波形調(diào)整 電位器，使輸出脈沖頻率約為 50

9、0Hz，接著調(diào)試控制器將一個 100的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測試端，按一下開關(guān) s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1RCx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié)再復(fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。5.2 仿真測量 5.2.1 仿真測量實驗一當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個300的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測試端, 按一下開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計算：，符合誤差在20%之內(nèi)的要求5.2.2 仿真測量實驗二開關(guān)3分別打開閉合一次，顯示屏清零，然后在待測電容處連接一個假設(shè)電容值為521的電容，打開開關(guān)S，觀察顯示屏上所檢測

10、出來的數(shù)值，并與假設(shè)值比較，具體操作以后，顯示如下圖：誤差計算：，符合誤差允許的范圍。5.3 結(jié)果分析 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，打開開關(guān)以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測電容容量在1到100之間時，測量值比較精確，而當(dāng)被測電容容量在0.01到1之間時，測量值誤差較大，并且顯示方面也出現(xiàn)了一點問題。但被測電容要求在0.01到100之間，為此，在原電路基礎(chǔ)上我們進行了改進，由于Tx=1.1RCx，當(dāng)Cx在0.

11、01到1之間時，只要將R擴大100倍，那么Tx將與Cx在1到100時一樣，即Tx在兩種情況下大小相等，于是只要增加一個小量程檔，就能有效地解決這個問題。6 結(jié)論6.1 設(shè)計過程中遇到的困難及解決辦法在設(shè)計的最初階段，由于通過資料的查閱，對各個模塊的電路圖有了初步的了解，所以在設(shè)計的時候能夠得心應(yīng)手，特別在設(shè)計計數(shù)和顯示電路模塊的時候，設(shè)計過程比較流暢，第一天便完成了任務(wù)。但是在接下來設(shè)計控制器電路和時鐘脈沖發(fā)生器電路時，遇到了一點點的小麻煩，由于設(shè)計這兩個模塊需要對555集成塊進行連接，但是當(dāng)時對555集成塊理論知識的掌握不夠全面，所以設(shè)計出來以后電路有問題，不能正常工作。所以我們決定先暫停設(shè)

12、計，翻閱課本和在圖書館借來的資料，把555集成塊的結(jié)構(gòu)和功能研究了一遍，最后終于成功了設(shè)計出來，這也剛好驗證了那句老話“磨刀不誤砍柴工”。當(dāng)把所有模塊全部連接起來以后，運行該數(shù)字電容測試儀是，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。6.2 課程設(shè)計心得體會 時間過的好快，轉(zhuǎn)眼間，為期兩周的電子技術(shù)課程設(shè)計就結(jié)束了。通過這兩周的課程設(shè)計，我拓寬了知識面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高。設(shè)計，給人以創(chuàng)作的沖動。但凡涉及設(shè)計都

13、是一件良好的事情，因為她能給人以美的幻想，因為她能給人以金般財富，因為她能給人以成就之感，更為現(xiàn)實的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。安排課程設(shè)計的基本目的，在于通過理論與實際的結(jié)合、人與人的溝通，進一步提高思想覺悟。尤其是觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合型人才。課程設(shè)計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基

14、本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。課程設(shè)計的過程中，由于對理論掌握的不熟練，或者是操作過程中發(fā)生失誤，都會導(dǎo)致最后結(jié)果出不來。至善至美，是人類永恒的追求。但是，不從忘卻“金無足赤，人無完人”，我們換種思維方式，去惡亦是至善，改錯亦為至美。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。對我們電子信息專業(yè)的本科生來說，實際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計工作。通過課程

15、設(shè)計，讓我們找出自身狀況與實際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及時補充相關(guān)知識，為求職與正式工作做好充分的知識、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會的心理轉(zhuǎn)型期。作為整個學(xué)習(xí)體系的有機組成部分，課程設(shè)計雖然安排在兩周進行，但并不具有絕對獨立的意義。它的一個重要功能，在于運用學(xué)習(xí)成果，檢驗學(xué)習(xí)成果。運用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應(yīng)用于實際設(shè)計工作，并從理論的高度對設(shè)計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設(shè)想。檢驗學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實際工作到底有多大距離，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實踐依據(jù)。通過課程設(shè)計，我還更加明白了

16、一個真理。時至今日，課程設(shè)計基本告成，才切身領(lǐng)悟“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，才明曉實踐出真知。因為在教材上，數(shù)字鐘不過是由計數(shù)器和譯碼顯碼器組合而成，也便不以為然搭建電路圖，結(jié)果電路出現(xiàn)諸多問題，譬如短路開路，EWB中引腳懸空即為低電平，現(xiàn)實中引腳懸空呈現(xiàn)大電阻特性即高電平，不為則不知，無為則無知，實踐出真知。課程設(shè)計達到了專業(yè)學(xué)習(xí)的預(yù)期目的。在兩個星期的課程設(shè)計之后，我們普遍感到不僅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，進一步激發(fā)了我們對專業(yè)知識的興趣，并能夠結(jié)合實際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進行更深入的學(xué)習(xí)。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于迎刃而解。同時，在老師的身上我學(xué)得到很多實用的知識，在此我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！7參考文獻1 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2006：1129.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2006：66309.3 金唯香