畢業(yè)設(shè)計數(shù)字式電容測量儀的設(shè)計

1、摘要本設(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。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)電容值的不同而不同的，所以脈寬即是對應(yīng)的電容值，其精度可以達(dá)到0.1%。然后在電路中加入一個由LM741以及一個電容和一個電阻構(gòu)成的阻容平滑濾波器，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的信號濾波，使最終輸出電壓與被測量的電容值呈線性關(guān)系。最后是輸出電壓的數(shù)字化，將輸入到7448譯碼器中翻譯成BCD碼，輸入到LED數(shù)碼管中

2、顯示出來關(guān)鍵詞：電容，555定時器，濾波器，線性，譯碼器，LED數(shù)碼管目錄一、測量系統(tǒng)的方案設(shè)計··········································

3、····31.1、測量部分的系統(tǒng)方案設(shè)計·····································31.1.1、恒亞充電法測量····

4、···············································31.1.2、恒流充電法測量

5、3;·················································

6、3;31.1.3、脈沖計數(shù)法測量···············································&#

7、183;···31.2、測量信號數(shù)字化系統(tǒng)方案選擇································31.2.1、利用單片機進(jìn)行編程翻譯········&#

8、183;·································41.2.2、利用譯碼器進(jìn)行翻譯·············

9、3;································4二、單元電路的設(shè)計及原理···············

10、83;·····························42.1、 電容值測量電路及原理··················

11、;·····················42.1.1、多諧振蕩器電路圖及工作原理·························

12、83;·············62.1.2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理·································

13、····72.1.3、濾波器工作電路圖及原理··········································82.2、模

14、擬信號的處理以及數(shù)字化顯示·····························9三、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定·················&#

15、183;····································10四、結(jié)論及謝詞············

16、;············································114.1、結(jié)論····

17、83;·················································

18、83;······114.2、謝詞··········································&

19、#183;·················11參考文獻(xiàn)·······························&

20、#183;··································12附表：元器件明細(xì)表·············&#

21、183;········································13一 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 測量部分的系統(tǒng)方案設(shè)計1.1.1:恒壓充電法測量。用一個電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對電

22、容進(jìn)行充電，然后根據(jù)電容充電的曲線超過某個固定電壓所需要的時間，利用曲線擬合的方法測量。測量所使用的原始公式是：?？梢婋娙莸闹岛碗妷阂约皶r間呈微分關(guān)系。用這種方法測量，時間和容值是非線性的。因此測量難度高，精度低，并且難以實現(xiàn)數(shù)字化。1.1.2：恒流充電法測量。用恒流源對電容充電，此時電容的容量和充電時間是成正比的，所以可以利用AD或者比較功能同某個固定電壓比較，來實現(xiàn)電容測量。測量所用的原始公式是： .所以。恒流源的電流大小是已知的，時間和電壓也可以測量出來。由上面的公式即可求得電容的大小。使用這種方法來測量，精度較上一種方法有所提高，且便于操作和實現(xiàn)。但要使用恒流源，恒流源的的設(shè)計要求很高

23、，且達(dá)不到測量所需要的精度要求，因此這種方法也不適用。1.1.3：用脈沖計數(shù)法測量電容。由555定時器兩個電阻以及一個電容，構(gòu)成的多諧振蕩電路，產(chǎn)生較為穩(wěn)定的振蕩頻率計算的公式為：，這個頻率可以自己選擇電阻和電容的值確定。再由一個555定時器和一個電阻以及一個電容構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,并將以上述多諧振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號。根據(jù)電容的大小來調(diào)節(jié)占空比。LM741與兩個電容以及一個電阻構(gòu)成阻容有源濾波器。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產(chǎn)生的輸出信號濾波成為穩(wěn)定的輸出電壓。此方法測量比較精確，并且容易調(diào)節(jié)所測量電容值的范圍（只需調(diào)節(jié)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻的大小即可）。綜合上述的三種方法，我所

24、選擇的是第三種方法1.2 測量信號數(shù)字化系統(tǒng)方案選擇1.2.1：利用單片機進(jìn)行編程翻譯。將測量得出的電壓信號值，輸入事先編好程序的單片機當(dāng)中，應(yīng)用單片機將電壓信號翻譯出來送入LED數(shù)碼顯示管中，顯示出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。選用的單片機可以為凌陽單片機。該方法顯示出的數(shù)據(jù)精確。而且設(shè)計，操作都很簡單且功能易于擴展，但要用到單片機，因此設(shè)計成本將大大提高很不經(jīng)濟，且測量環(huán)境要求較高。1.2.2：利用譯碼器進(jìn)行翻譯。將測量出的結(jié)果輸入譯碼器當(dāng)中，利用譯碼器將電信號翻譯，然后輸入到LED數(shù)碼顯示管中，最后顯示出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。選擇的譯碼器可以為7448譯碼器。該方法所用到的器材較為便宜，且做成的成品便攜。但顯示不是

25、非常精確，并且功能會很單一。這里測量精確要求不是很高，故選擇第二種方案。二 單元電路的設(shè)計及原理此方案主要分為兩個方面：1.電容量的測量，最后得出來的結(jié)果是最后輸出電壓信號。2.將輸出來的電壓信號經(jīng)翻譯成為數(shù)字信號，由數(shù)碼管顯示出來。2.1 電容值測量電路及原理2.1.1 多諧振蕩器電路圖及工作原理555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，其電路圖如圖2-1-1所示：圖2-1-1 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器其電路工作原理是：接通電源后，電容C被充電，當(dāng)上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器充放電所需時間為:當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，將通過、

26、向電容器C充電，由上升到所需的時間為：當(dāng)上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為：2.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理555定時器構(gòu)成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路圖如圖2-1-2（a）所示。其簡化電路如圖2-1-2（b）所示： 圖2-1-2（a）555定時器構(gòu)成第三穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖2-1-2（b）555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的簡化電路 其工作原理是：沒有觸發(fā)信號時處于高電平（），如果接通電源后Q=0=0，T導(dǎo)通，電容通過放電三極管放電，使=0，保持低電平不變。如果電源接通后Q=1，放電三極管T就會截止，電源通過電阻R向電容充電，當(dāng)上

27、升到時，由于R=0,S=1鎖存器置0，為低電平。此時放電三極管T導(dǎo)通，電容放電，保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發(fā)信號時，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)=0。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（），電路的輸出狀態(tài)由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管T截止。此后電容充電，當(dāng)充電至=時，電路的輸出端電壓由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，同時T導(dǎo)通，于是電容放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降，則從零電平上升到的時間，即為輸出電壓的脈寬 通常R的取值在幾百歐到幾兆歐之間，電容的取值為幾百皮法到幾百微法。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可以從幾個微秒到幾分鐘，精度可以達(dá)到0.1%。這樣就可以保證測量時的精度。也可

28、以保證測量的范圍能夠達(dá)到100pF100uF。2.1.3 率波器工作電路圖及原理利用LM741與電容，電阻組成阻容有源濾波器。其電路結(jié)構(gòu)如圖2-1-3所示。圖2-1-3 LM741組成的阻容濾波器 其工作原理是LM741可以對占空比為的信號進(jìn)行平滑濾波，使最后產(chǎn)生出來的信號（即是圖2-1-3中的 ）與被測量的呈線性關(guān)系。2.1.4 濾波器工作電路圖及原理 測試部分所用的總的電路圖如圖2-1-4所示。圖中的即是被測量的電容。圖中的電源是測量電路使用的電源，其值為1518伏特之間。圖2-1-4 測量電路總圖2.2 模擬信號的處理以及數(shù)字化顯示在這個環(huán)節(jié)中，直接采用將信號送入7448譯碼器中進(jìn)行翻譯

29、，并將翻譯成的BCD碼送入LED數(shù)碼管中，顯示出來。其電路結(jié)構(gòu)如圖2-2-1圖2.2給出BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖。如果不考慮邏輯圖中由G1G4組成的附加控制電路的影響（即G3和G4的輸出為高電平），則YaYg與A3、A2、A1、A0之間的邏輯關(guān)系為： Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G3 A0 G9 A1 G10 A2 G11 A3 G12 G4 G5 G6 G7 G8 G1 G2 A0 A1 A2 A3圖2-2-1 BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖&&&&&&&a

30、mp;&1111&1&1&1&1&1&1&&根據(jù)BCD七段顯示譯碼器的邏輯關(guān)系式和邏輯圖可列出真值表如表22LED數(shù)碼管的構(gòu)造和顯示原理： LED數(shù)碼管分為共陽極與共陰極兩種，如圖222（a）所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖222（b）（c）所示。ag代表7個筆段的驅(qū)動端，亦稱筆段電極。DP是小數(shù)點。第3腳與第8腳內(nèi)部連通，+代表公共陽極，-表示公共陰極。對于共陽極LED數(shù)碼管（如圖222（a）,（b）所示），將8只發(fā)光二極管的陽極短接后作為公共陽極。其工作特點是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接供電平時可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之

31、相反，它是將發(fā)光二極管的陰極短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動信號為高電平，-端接低電平時才能發(fā)光。 LED數(shù)碼管的特點：1. 能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。2. 發(fā)光相應(yīng)時間極短（0.1us），高頻特性好，單色性好，亮度高。3. 體積小，重量輕，抗沖擊性好。4. 壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可以達(dá)到100萬小時。5. 成本低。三 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定 系統(tǒng)的參數(shù)決定了系統(tǒng)測量的范圍在觸發(fā)器中，本設(shè)計在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的電阻值取為47K, 由公式： 計算可得。被測電阻在100pF100uF內(nèi)產(chǎn)生的脈寬為0.000047s0.47s。所以多諧振蕩器產(chǎn)生的信號振蕩頻率應(yīng)該小于2Hz。