數(shù)電課設(shè)電容測試儀(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄摘要 設(shè)計共有三大組成部分：一是方案比較，概括講解了不同測量電路的設(shè)計思想和優(yōu)缺點；二是所采取方案各單元所用器件的性能和在電路中的功能，以及仿真結(jié)果。使用了兩個555，一個用來產(chǎn)生單脈沖，一個是多諧振蕩，能產(chǎn)生多諧振蕩的555電路，輸入到74LS160計數(shù)器，74LS160計數(shù)后，計數(shù)結(jié)果送至74LS73進行鎖存，經(jīng)CD4511譯碼后最后通過數(shù)碼顯示管顯示出來，數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為電容值。 由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tW與電容C成正比，把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tW的矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計數(shù)器計標準頻率脈沖的個數(shù)，并送鎖存-譯碼-顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的

2、數(shù)據(jù)。在報告中給出了原理圖的仿真和實物的焊接圖，實際調(diào)試的測量圖也給與展示。關(guān)鍵詞： 閘門信號 標準頻率脈沖1.緒論數(shù)電課程設(shè)計是作為數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的重要組成部分，目的是使學(xué)生進一步理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字電子線路設(shè)計和調(diào)試的方法，增加模擬電路應(yīng)用知識，培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力以及分析、解決問題的能力。按照本學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)計劃要求，在學(xué)完專業(yè)基礎(chǔ)課電路與電子技術(shù)后，應(yīng)安排課程設(shè)計教學(xué)實踐項目，其目的是使學(xué)生更好地鞏固和加深對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解，學(xué)會設(shè)計中、小型電子線路的方法，獨立完成調(diào)試過程，增強學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，提高學(xué)生電路分析和設(shè)計能力。通過實踐教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生在理論指導(dǎo)下有所創(chuàng)新，為專業(yè)

3、課的學(xué)習(xí)和日后工程實踐奠定基礎(chǔ)。1.1設(shè)計的目的和意義1.1.1設(shè)計目的1、根據(jù)給出的技術(shù)和指標，設(shè)計電容測試儀。2、掌握電容數(shù)字測量儀的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。3、熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理。4、增強對課本理論知識的理解，并提升到時間制作當中，學(xué)以致用。1.1.2設(shè)計意義1、很多電子產(chǎn)品中，電容器都是必不可少的電子元件，它在電子設(shè)備中充當整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號的旁路、交直流電路的交流耦合等。固定電容的容量可直接從標稱容量上讀出，而可調(diào)電容的容量則不確定，因此，設(shè)計一個簡易電容測試儀作為測量工具是有必要的。2、如果本次課程設(shè)計可以成功，不僅可以使我們更

4、好地理解調(diào)頻無線話筒的原理，也會增加我們探索無線電的興趣。如果設(shè)計不成功或達不到要求，本次課程設(shè)計也會使我們明白實踐與理論的結(jié)合需要多加練習(xí)，從而認識到自己的不足，在以后的學(xué)習(xí)中加強實踐?？傊?，這次課程設(shè)計會幫我們提高很多。2. 設(shè)計方案及論證2.1設(shè)計方案2.1.1方案一 像測量R一樣，測量電容C的最典型的方法是電橋法，如圖1所示。只是電容C要用交流電橋測量。電橋的平衡條件為圖2.1.1原理圖 通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測參數(shù)。用這種測量方法，參數(shù)的值還可以通過聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡

5、單電路實現(xiàn)。這樣，電橋法不易實現(xiàn)自動測量。2.1.2方案二 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)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行顯示?？捎?55集成定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RCln31.1RC。從式可以看到，當R固定時，改變電容C則輸出脈寬tW跟著改變，由tW的寬度就可求出電容的大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓V0取平均值，由于電容量的不同，tW的寬度也不同，則V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到電容C的大小。如果把平均值送到位A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容量的大小。2.1.3方案三 標準頻率比較法。很多儀表都是把較難測

6、量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。在此基礎(chǔ)上，把電容C轉(zhuǎn)換成頻率信號f, 轉(zhuǎn)換的原理是555振蕩器的振蕩周期T=0.7(Ra+2Rb)C, 周期T與電容的電容量C成正比，通過閘門控制電路控制計數(shù)器，對閘門內(nèi)的脈沖進行計數(shù)，并由LED數(shù)碼管顯示出電容量。其原理框圖如圖2.1.3。 圖2.1.3原理框圖2.1.4方案四標準頻率的產(chǎn)生，用555多諧振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計數(shù)器的CP脈沖。用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路把待測電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，用這個寬度的矩形脈沖作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，合理處理計數(shù)部分電路，把此脈沖作閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖

7、送計數(shù)-鎖存-譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。原理框圖如2.1.4。圖2.1.4原理框圖2.2方案論證由于方案一電路參數(shù)不易計算，判別較難，方案二電路形式復(fù)雜不易實現(xiàn)，方案四是在方案三的基礎(chǔ)上加以改進使測量更加方便，所以選擇方案四。3. 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算3.1標準頻率產(chǎn)生模塊3.1.1原理圖的構(gòu)成 將555定時器與幾個阻、容元件如圖連接，便構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩模式555多諧振蕩器開始工作，輸出周期為 T=0.7（+2）C 的方波信號。將多諧振蕩器輸出的脈沖送往74LS160開始計數(shù)，同時將輸出信號結(jié)至單穩(wěn)態(tài)電路輸入端，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路進行定時功能。當接通電源Ucc后，電容上的初始電壓為0

8、V，比較器、輸出為1和0，使Uo=1，放電管T截止，電源通過、向充電。Uc上升至2Ucc/3時，RS觸發(fā)器被復(fù)位，使Uo=0，T導(dǎo)通，電容通過到地放電，Uc開始下降，當Uc降到Ucc/3時，輸出Uo又翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容又開始充電。如此周而復(fù)始，就可在3腳輸出矩形波信號。電容上的充電時間T1和放電時間T2分別為：T1=0.7(+)C1，T2=0.7，輸出矩形波的周期為：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C1，振蕩頻率：f=1/T=1.44/(+2)，占空比：q=(+)/(+2)。=1k、=5k、=1nF，這樣取值的目的是為了方便計算。 圖3.1.1標準頻率產(chǎn)生原理圖3.1.2仿

9、真輸出波形圖圖3.1.2標準波仿真圖3.2矩形脈沖產(chǎn)生模塊3.2.1原理圖的構(gòu)成 由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tW與電容C成正比。用這個寬度的矩形脈沖作為閘門信號控制計數(shù)器計數(shù)，合理處理計數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計數(shù)器的計數(shù)值即為被測電容的容值。 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理為：接通電源瞬間，Uc=0V,輸出Uo=1,放電三極管T截止。Ucc通過R給C充電。當Uc上升到2Ucc/3時，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時基本RS觸發(fā)器置0，輸出Uo=0。同時，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Ui=1。當輸入負脈沖后，觸發(fā)器發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使Uo=1，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于Uo=1，

10、三極管T截止，電源Ucc可通過R給C充電。當電容C充電至Uc=2Ucc/3時，電路又發(fā)生反轉(zhuǎn)，輸出Uo=0，T導(dǎo)通，電容C放電，電路自動恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時間由RC電路參數(shù)決定，輸出脈沖寬度Tw=1.1RC。R取值分別為7MK和7K從而保證待測電容的范圍從皮法到微法。單刀雙擲開關(guān)可以用來選擇量程。參數(shù)的選擇：因為測試電容的原理是:閘門信號Tw=1.1RCx，而振蕩器輸出周期為T=0.7（R1+2R2）C的基準脈沖，我們設(shè)置電路使0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx，等式兩邊同時約去N和Cx，那么在閘門信號閘門內(nèi)有N個基準脈沖，電容值就為N(Cx)。因為此次課程設(shè)計的要求為100pF-1uF

11、，多諧電路中、的取值分別為1k、5k、1nF。只需要將R的值設(shè)置為7Mk、7k兩個量程即可進行100pF-10uF的量程測試。圖3.2.1脈沖發(fā)生模塊原理圖3.1.2仿真輸出波形圖圖3.1.1矩形脈沖波形圖3.3計數(shù)器模塊3.3.1原理圖的構(gòu)成 本設(shè)計中的74LS390芯片是用于計數(shù)的，因最終結(jié)果要顯示四位，故要用兩74LS390 芯片來實現(xiàn)。 由于74LS390為雙二-五-十進制計數(shù)器，為使她能夠?qū)λ奈皇M制數(shù)進行計數(shù)，需將其拓展，即級聯(lián)。74LS390得級聯(lián)方式很多，本設(shè)計中，我們使用低位片的進位，作為高位片的觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)。即低位片每向高位進為一次，高位計數(shù)一次。由此可實現(xiàn)10000進制

12、計數(shù)。 圖3.1.1計數(shù)器模塊原理圖3.4鎖存譯碼顯示模塊3.4.1原理圖的構(gòu)成 由于555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的負脈沖時間非常短，我們幾乎從顯示器上無法確定單穩(wěn)態(tài)負脈沖的到來，因此我們用了一個74LS273做成的鎖存器。當555單穩(wěn)態(tài)輸出負脈沖時，我們將此信號經(jīng)過一個非門，去控制74LS273的CP脈沖，在555輸出正脈沖時鎖存器不輸出數(shù)據(jù)，只有555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出負脈沖時，控制74LS273的CP脈沖輸出當前的數(shù)據(jù) 由74LS273構(gòu)成的鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存。74LS273工作原理是：MR為高電平，當CLK輸入為上升沿時對輸入信號進行鎖存，鎖存后輸出不再隨輸入信號變動，直至下一個上升沿到

13、來。這里的CLK輸入由單穩(wěn)態(tài)輸出接反相器得到。當單穩(wěn)態(tài)輸出為低電平時，表示定時結(jié)束，同時鎖存電路對計數(shù)值進行鎖存，以正確顯示電容值。譯碼輸出部分采用顯示譯碼器CD4511和個共陰數(shù)碼管進行顯示。圖3.4.2鎖存譯碼顯示部分原理圖3.4.2仿真輸出圖3.4.2 C=5uF 仿真輸出圖3.4.3 C=100pF 仿真輸出4. 系統(tǒng)原理綜述 使用了兩個555，一個用來產(chǎn)生單脈沖，一個是多諧振蕩，能產(chǎn)生多諧振蕩的555電路，輸入到74LS160計數(shù)器，74LS160計數(shù)后，計數(shù)結(jié)果送至74LS73進行鎖存，經(jīng)CD4511譯碼后最后通過數(shù)碼顯示管顯示出來，數(shù)碼管顯示的數(shù)字即為電容值。 具體實現(xiàn)為：555

14、產(chǎn)生單脈沖，其時間Tw為一個時間長度，即為脈沖寬度。然后多諧振蕩產(chǎn)生連續(xù)的方波，其時間長度遠小于單脈沖，即其脈沖寬度遠小于單脈沖，單脈沖的脈沖寬度是多頻的整數(shù)倍。相與后輸出的脈沖個數(shù)就是Tw時間內(nèi)脈沖的個數(shù)。電容通過555轉(zhuǎn)化為Tw時間內(nèi)連續(xù)脈沖的個數(shù)，而輸出的就是Tw時間內(nèi)連續(xù)脈沖的個數(shù)N的值。 根據(jù)555的性質(zhì)由相關(guān)0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx公式知，要測電容就必須知道和R的值，為方便計算其中R1+2R2總?cè)≈禐?1k，由于本次課設(shè)的測量范圍是100pF1uF，所以R的取值為7Mk和7k便于換擋。最后將數(shù)值N用數(shù)碼管進行顯示出來。 總的來說，本設(shè)計的基本思路就是利用555，將電

15、容的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，再用計數(shù)器進行計數(shù)，最后通過譯碼管和數(shù)碼管譯碼、驅(qū)動、顯示出來。5. 芯片介紹5.1 555定時器  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)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=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，則 A1 的輸出為

16、 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 圖5.1.1 555引腳圖555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個晶體三極管.17個電阻.兩個二極管.組成了比較器.RS觸發(fā)器.等多組單元電路.特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個電阻分壓器.為上.下比較器提供基準電壓.所以稱之為555. 555引腳圖介紹如下:1 地 GND 2 觸發(fā) 3 輸出 4 復(fù)位 5 控制電壓 6 門限(閾值） 7 放電 8 電源 Vcc5.2 74ls390計數(shù)器圖5.2.1 74ls390引腳圖 這種雙單片電路有八個主從觸發(fā)器和附加門，以構(gòu)成兩個獨立的4位計數(shù)器，可以實現(xiàn)等于2進制計數(shù)、5進制計數(shù)乃

17、至100進制計數(shù)。當用單個二五進制時可構(gòu)成一個十進制計數(shù)，兩個則可以百進制，我們用了四個數(shù)碼管進行顯示，所以我們用了兩片74ls390進行計數(shù)。圖5.2.2為其功能表。圖5.2.2 74ls390功能表5.3 74ls273鎖存器 74LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，他是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當1腳是低電平時,輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;當1腳為高電平時,11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當11腳有一個上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、

18、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。圖5.3.1為其引腳圖。圖5.3.1 74ls273引腳圖5.4 CD4511譯碼器 BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯

19、碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。圖5.4.1 CD4511引腳圖6. 實物展示圖6.1.1 實物圖圖6.1.2 47pF實物顯示圖圖6.1.3 1000pF實物顯示圖圖6.1.4 22nF實物顯示圖7.心得與體會 本次課程設(shè)計期間還進行了一些考試，加上本設(shè)計需要尋找大量的資料，時間其實還是比較緊迫的。這次設(shè)計是我們小組三個人，思路很不一致，各有各的想法，于是我們決定一起討論方案得到認可后便開始各自的準備。首先在網(wǎng)上搜集了各種方案，經(jīng)過仔細比較再結(jié)合平時在課堂上學(xué)的知識最終確定了自己的方案。 相對來說，我們組抽到的這個題的涵蓋面很廣，不僅有數(shù)電方面的知識還包括模電、電路等，因題目只給出了最后需要達到的效果及要求，因而可供思考的余地很寬，這也給了我們充分的發(fā)揮空間。 通過這次課程設(shè)計，我們深刻的認識到知識間的融會貫通很重要，學(xué)習(xí)知識就是為了使用，學(xué)得好不算什么，更重要的