數(shù)字式電容測試儀的設計(共23頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目錄1.1恒壓充電法測量2 電路設計框圖及功能描述90015 45摘要本設計是基于555定時器，連接構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，所以脈寬即是對應的電容值，其精確度可以達到0.1%。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系。最后是輸出電壓的數(shù)字化，將輸入到74160計數(shù)譯碼器中翻譯成BCD碼

2、，輸入到LED數(shù)碼管中顯示出來。關鍵詞： 電容；555定時器；線性；計數(shù)譯碼器；LED數(shù)碼管專心-專注-專業(yè)綜述 本設計主要運用數(shù)字電子技術基礎，在通過對設計要求的分析后選擇設計方案，此設計題目為了復習和鞏固已學過的數(shù)電與模電理論知識和操作技能，掌握數(shù)電各種芯片的特性與作用，學會用仿真軟件進行程序設計和電路分析。學習和訓練查閱各種技術資料，編制相關的專業(yè)技術文件的基本技能。根據(jù)本次課程任務相關要求，本設計分為三部分，第一脈沖信號的產(chǎn)生，第二由測量電容構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的脈寬，第三計數(shù)譯碼器與數(shù)碼管的配合使用。在日常的電路工程或者是電路實驗中，電容是一種最常見的云器件，實際應用中，對電容的電容

3、值的精確度要求也很高。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)所學的知識，設計一個數(shù)字電容測試儀，只要接入被測電容，就能直接在屏幕中顯示電容的容值，方便在以后實驗中對電容的使用。1 方案設計與分析1.1恒壓充電法測量 用一個電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對電容充電，然后和、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。由于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。1.2恒流充電法測量用恒流源對電容充電，此時電容的容值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容比較，實現(xiàn)電容測量。使用這

4、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)。彈藥使用恒流源，恒流源的設計要求很高，且達不到測量所需要的精度要求。1.3脈沖計數(shù)法測量 由555定時器兩個電阻和一個電容構成的多謝振蕩電路，產(chǎn)生較穩(wěn)定的振蕩頻率。再由一個555定時器和一個電阻以及的一個電容構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，并將上述多謝振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，此方法測量比較精確，并且容易調(diào)節(jié)所測電容值的范圍。綜上述的三種方法，我選擇第三種。2 電路設計框圖及功能描述2.1電路設計框圖計數(shù)譯碼器顯示電路 脈沖產(chǎn)生電路脈沖個數(shù)控制電路待測電容2.2電路設計功能描述 脈沖產(chǎn)生電路采用由555定時器改接的多諧振蕩器，

5、多諧振蕩器產(chǎn)生固定頻率的脈沖，用來給74160計數(shù)譯碼器提供計數(shù)脈沖，脈沖個數(shù)控制電路采用由555定時器改接的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，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換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴格 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3 電路原理設計及參數(shù)計算 本設計分為三個量程，分別為100pf-999pf、1nf-999nf、1uf-100uf,下述單元電路均以量程1uf-

6、100uf為基準3.1電路原理設計利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以被測電容的大小轉換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴格 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。3.2單元電路設計與參數(shù)計算3.2.1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脈沖寬度 Tx圖3-2-1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：圖3-2-1 單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖當被測電容 Cx接到電路中之后，只要按

7、一下開關 S，電源電壓Vcc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)榈碗娖剑瑥亩怄i與門，停止計數(shù)?？梢姡刂泼}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。由于設計要求 ，Cx的變化范圍為 100pF100F，設測量的時間Tx為2s左右，也就根據(jù) Tx=1.1RCx可求得 ： R=T（Ln3*Cx)=18.182k (3-2-1)取R=1

8、8k 實際Tx=Ln3*Cx*R=1.9775s 3.2.2 時鐘脈沖發(fā)生器這里選用由555定時器構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3-2-2所示圖3-2-2 電路原理圖及其輸出波形由圖3-2-2求的電容C2的充電時間T1和放電時間T2各為 T1=(R1+R2)*C2*Ln2 (3-2-2) T2=R2*C2*Ln2 (3-2-3) 故振蕩波形的周期為 T=T1+T2=(R1+2R2)*C2*Ln2 (3-2-4)振蕩頻率為 f=1/T=1/(R1+2R2)*C2*Ln2) (3-2-5) 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

9、有電流流入因此，為了減小該電流的影響，應使C2=1。又因為要求 Cxmax =100時，Tx=1.9775s，所以需要時鐘脈沖發(fā)生器在該時間內(nèi)產(chǎn)生 100脈沖即時鐘脈沖周期應為T=19.975ms. 取C2=1uF，則 ： R1+2*R2=T/(C2*Ln2)=28.53k (3-2-6) 取標稱值：R1=4.53k，R2=10k. 3.2.3 計數(shù)和顯示電路由于計數(shù)器的計數(shù)范圍為1100，因此需要采用 3個二十進制加法計數(shù)器這里選用 3片74160級聯(lián)起來構成所需的計數(shù)器一片74LS160和數(shù)碼管連接如圖3-2-3所示:圖3-2-3 74LS160和數(shù)碼管連接圖 三片74LS160和三個數(shù)碼

10、管連接出來的顯示圖如圖3-2-4所示：圖3-2-4 三片74LS160和三個數(shù)碼管連接出來的顯示圖4 單元電路設計的仿真波形4.1 多諧振蕩器由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的波形如圖4-1-1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4-1-1 多諧振蕩器電路波形其工作原理如下：多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設當電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓Uc略低于 ，Uo輸出高電平，V1截止，電源UCC通過R1、R2 給電容C充電。隨著充電的進行UC逐漸增高，但只要 ， 輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當電容C上的電壓Uc略微

11、超過 時(即U6和U2均大于等于 時)， RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓Uo從原來的高電平翻轉到低電平，即Uo=0，V1導通飽和，此時電容C通過R2和V1放電。隨著電容C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Uc下降到略微低于 時，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C再次充電，又重復上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其振蕩周期為：工作波形如圖4-1-2所示。圖4-1-2 多諧振蕩器波形4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的波形如圖4-2-1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)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原

12、理如下：4.2.1 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R對電容C進行充電，當電容C上的電壓時，輸出。與此同時電容C迅速放完電，不變。4.2.2 觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)當由高電平變?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)R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。4.2.3 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充到所需的時間，可用下式估算: 式中R和C為外接電阻

13、和電容。圖4-2-1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路波形4.3電路原理圖與仿真結果顯示4.3.1 電路原理圖 如下圖4-3-1所示（以量程1uf-100uf為例）圖4-3-1 電路原理圖 4.3.2 仿真結果顯示 Cx=10uf的測試結果顯示如圖4-3-2圖4-3-2 Cx=10uf測試結果Cx=100uf測試結果圖顯示如圖4-3-3圖4-3-3 Cx=100uf測試結果 改變?yōu)?nf=999nf的量程，令C3=0.1uf,R1=1800k，R2=4.5k（參數(shù)代碼以仿真圖顯示為準）。 Cx=100nf仿真測試結果如圖4-3-4圖4-3-4 Cx=100nf測試結果 改變?yōu)?00pf-999pf的量程，令R1

14、=1800M,R2=4.47k,C3=0.1uf。 Cx=100pf仿真測試結果顯示如圖4-3-5圖4-3-5 Cx=100pf測試結果 Cx=999pf仿真測試結果顯示如圖4-3-6圖4-3-6 Cx=999pf測試結果5 課程設計體會經(jīng)過兩星期的奮戰(zhàn)，終于把這個難熬的東西給整完了，什么課程設計體會呀，沒有什么體會就是累，不過有時候還覺得挺有意思的，不過這種感覺會被一個個的問題給駁回了，在設計中遇到的最頭疼的問題就是仿真，不是因為難，而是原理仿真都是對的可仿真結果怎么也對不了，或者今天是對的過了一晚就又不行了，這真的要發(fā)瘋，也不知道是哪里的問題，最終無奈的歸為人品有問題，可做仿真過程中人品就

15、沒好過，所以我只能好好把握仿真結果正確的時候，如果沒有這么個煩人的問題，這個課程設計會很有趣的，我就是在這里吐槽的，還有一個值得吐槽的就是寫word的時候，第一是格式要求真麻煩，第二個頭疼的是頁眉頁腳真是難搞花了好長時間吶，眼都要瞎。說點吐槽之外的話吧，還是那一套，通過這個課程設計鞏固了我的基礎知識，通過仿真加強了動手能力和思維轉換能力，最最重要的是耐心耐心耐心，重要的事情說三遍，如果你做仿真沒學會耐心的話那就意味著你什么也沒執(zhí)行出來，或許這就是它的意義所在吧，并不是讓我們學會什么知識，就是讓我們體驗一下什么叫絕望，不過還好絕處逢生就是這么來的。課程設計是對學生綜合能力的訓練，不單單要掌握課本知識還要學會自己尋找答案，學著自己解決問題和重視和同學討論的力量相互學習相互幫助，這是多么重要的人生體會啊，小小的課設還能折射出這么多重要的人生道理，這么說來，它真是太