數(shù)字電容測試儀_圖文

1、目錄1 課程設(shè)計的目的 (12 課程設(shè)計的任務(wù)與要求 (13 設(shè)計方案與論證 (23.1 方案的選擇與可行性分析 (23.2 方案論證 (34 單元電路的設(shè)計與分析 (44.1 555定時器組成的多諧振蕩器 (44.2 555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分 (64.3 74LS160構(gòu)成的計數(shù)器 (94.4 譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路 (105 電路的安裝調(diào)試與仿真 (105.1 電路的安裝調(diào)試 (106 結(jié)論 (136.1 總結(jié) (136.2 收獲與體會 (14參考文獻(xiàn) (16附錄1:總體電路原理圖 (171 課程設(shè)計的目的(1掌握簡易數(shù)字式電容測試儀的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法;(2熟

2、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;(3學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn),掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、設(shè)計步驟;(4進(jìn)一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應(yīng)用;(5學(xué)習(xí)數(shù)字電路仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧;(6培養(yǎng)實(shí)踐技能,提高分析和解決實(shí)際問題的能力。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求1、查閱相關(guān)資料;進(jìn)行總體方案設(shè)計,得到原理框圖;2、要求:技術(shù)指標(biāo)(1電容測量范圍:1000p10F,輸出應(yīng)能直接顯示其值,誤差5%,電源電壓選擇+12V。(2量程可切換,顯示值能夠標(biāo)定。(3能完成指標(biāo)要求的電容量測試和誤差要求。3、選擇合適器件,進(jìn)行最終電路圖的仿真;進(jìn)行仿真

3、實(shí)驗(yàn)4、要求三位同學(xué)實(shí)現(xiàn)不同分工。3 設(shè)計方案與論證3.1 方案的選擇與可行性分析數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的大小,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,它的設(shè)計要點(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)計功能的方案很多,我們共總結(jié)出下面三種參考方案。方案一:用阻抗法測R、L、C有兩種實(shí)現(xiàn)方法:用恒流源供電,然后測元件電壓;用恒壓源供電,然后測元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源,所以它們適用的測量范圍很窄。方案二:應(yīng)用基本思想:把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬

4、度為tw的矩形脈沖,然后將其作為閘門控制計數(shù)器計數(shù),計數(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,由tw的寬度就可求出電容的大小?？衫脭?shù)字頻率計的知識,頻率的測量可用計數(shù)器計數(shù)來實(shí)現(xiàn),通過計算參數(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(shí)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。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

5、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。綜上所述,本課程設(shè)計選擇方案三來實(shí)現(xiàn)測量電容的容值。3.2 方案論證設(shè)計思路: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Cx。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?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容Cx值的不同而不同的,所以脈寬即是對應(yīng)的電容值,其精確度可以達(dá)到0.1%。然后把此脈沖作閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”,得到計數(shù)脈沖,把計

6、數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù),經(jīng)過譯碼器,然后再送給顯示器顯示,這個時侯,如果標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話,那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是Cx的大小。設(shè)計的總體框圖如圖3-1所示。 圖3-1 設(shè)計的總體框圖4 單元電路的設(shè)計與分析4.1 555定時器組成的多諧振蕩器由555定時器組成的多諧振蕩器如圖4-1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 多諧振蕩器電路其工作原理如下:多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后,電路處于某一暫穩(wěn)態(tài),電容C2上的電壓UC 略低于cc V 31,Uo 輸出高電平,電源VCC 通過R1、R2 給電容C2充電。隨

7、著充電的進(jìn)行UC 逐漸增高,但只要cc c cc U V 32V 31 , 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(dāng)電容C2上的電壓UC 略微超過cc V 32時,使輸出電壓Uo 從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平,即Uo=0,此時電容C2通過R2放電。隨著電容C2放電,UC 下降,但只要ccc cc U U U 3132 , Uo 就一直保持低電平不變,這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)UC 下降到略微低于ccU 31時,電路輸出又變?yōu)閁o=1,電容C2再次充電,又重復(fù)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:(2ln 2R T 221C R += (4-1工作波形如圖4-2所示

8、: 圖4-2 多諧振蕩器波形振蕩波形的周期為:22121(7.0C R R tp tp T += (4-2其中2211R R 0.7tp C (+ , 2220.7R tp C ,占空比為: 212112q R R R R T tp +=(4-3 因?yàn)闀r鐘周期(21R R 0.7T + 是在忽略了555定時器6腳的輸入電流條件下得到的,而實(shí)際上 6腳有10F 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10F 。又因?yàn)橐骉x=2s ,即時鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms 。即:122T tp tp ms =+= 。如果選擇占空比q=0.6,即 q= 1tp T =0.6 ,由此可

9、求得:取2C =0.1F ,則 : 2R = 220.7tp C 11.43K ,1R =120.7tp C - 2R 5.713K 。取標(biāo)稱值:1R =5.6K , 2R =12K 。最后還要根據(jù)所選電阻1R 、2R 的阻值,校算流過1R 、2R 的最小電流是否大于 10uA 。從圖可以看出,當(dāng)2C 上電壓c U 達(dá)到23V時,流過1R 、2R 的電流最小,為: m I in =2132R R VCC4.2 555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)和多量程選擇部分電路如圖4-3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)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路后加反相器

10、用來控制鎖存計數(shù)值。 圖4-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理如下: 1.穩(wěn)定狀態(tài)沒有加觸發(fā)信號時,輸入i u 為高電平。接通電源后,CC V 經(jīng)電阻R3對電容C 進(jìn)行充電,當(dāng)電容C 上的電壓CCc V u 32時,輸出0=o u 。與此同時電容C 迅速放完電,0c u ,0=o u 不變。2.觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)i u 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r,此時0c u ,輸出o u 由低電平跳躍到高電平。此時,電源CC V 經(jīng)R3對C 充電,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間內(nèi)輸入電壓i u 回到高電平。3.自動返回穩(wěn)定狀態(tài)隨著C 的充電,電容C 上的電壓c u 逐漸增大。當(dāng)c u 上升到CCc V u 32

11、時,輸出o u 由高電平跳躍到低電平。與此同時,C 迅速放完電,0c u 。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W t 為暫穩(wěn)態(tài)維持的時間(及占空比,它實(shí)際上為電容C 上的電壓由0c u V 充到CCV 32所需的時間,可用下式估算:RC RC t w 1.13ln = (4-4式中R 和C 為外接電阻和電容。4.多量程選擇電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的外接電阻R 設(shè)計了三種,分別對應(yīng)不同的分辨率和量程,這是為了增加測量的精確程度,降低相對誤差,量程10-100uF 只需閉合開關(guān)A ,讀出晶體管讀數(shù),然后乘以分辨率,即可得到對應(yīng)待測電容的大小,其他兩個量程也是相同的道理,必須相應(yīng)開關(guān),讀出讀數(shù)然后

12、乘以分辨率,加上單位uF/5.原理分析當(dāng)被測電容 Cx 接到電路中之后,電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路1C 、1R 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?該高電平控制與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)?？梢?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(dá)到測量電容的要求。取1R=1K,2R=10K,1C=l F4.3 74LS160構(gòu)成的計數(shù)器計

13、數(shù)器主要用來對時鐘進(jìn)行計數(shù)并送入顯示電路顯示。計數(shù)器選用74LS160進(jìn)行設(shè)計較簡便。 74LS160是集成同步十進(jìn)制計數(shù)器,該計數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進(jìn)位信號輸出端,可串接計數(shù)使用。由三個74LS160構(gòu)成的計數(shù)器電路如圖4-4所示: 圖4-4 計數(shù)電路4.4 譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器, 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼,可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字,由三個74LS47譯碼器和三個數(shù)碼管構(gòu)成的顯示電路如圖4-5所示: 圖4-5 譯碼顯示電路圖5 電路的安裝調(diào)試與仿真5.1 電路的

14、安裝調(diào)試(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(dú)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(jìn)制有一定得了解。(3 通過網(wǎng)絡(luò),下載仿真軟件,通過網(wǎng)絡(luò)教程對軟件的使用方法進(jìn)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)進(jìn)行調(diào)試,知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。5.2 電路的仿真仿真測量實(shí)驗(yàn)一:當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處

15、連接一個假設(shè)電容值為46F 的電容, 啟動開關(guān)A,結(jié)果顯示如圖5-1: 圖5-1 仿真測試圖1讀數(shù):47*1=47F 誤差計算:%2%100x 4646-47=,符合誤差在±5%之內(nèi)的要求仿真測量實(shí)驗(yàn)二:當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處連接一個假設(shè)電容值2F 的電容, 啟動開關(guān)B 結(jié)果顯示如圖5-2所示: 圖5-2 仿真測試圖2讀數(shù):21*0.1=2.1F 誤差計算:5%100x 222.1=-,符合誤差在±5%之內(nèi)的要求。 仿真測量實(shí)驗(yàn)三:當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測電容處連接一個假設(shè)電容值0.025F 的電容, 啟動開關(guān)C ,結(jié)果顯示如圖5-3所示: 圖5

16、-3 仿真測試圖3讀數(shù):26*0.001=0.026F 誤差計算:4%100x 0.0250.0250.026=-,符合誤差在±5%之內(nèi)的要求。6 結(jié)論6.1 總結(jié)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,打開對應(yīng)的開關(guān)以后,經(jīng)過簡單的換算就可以得到電容的大小值,方便在以后的實(shí)驗(yàn)中對電容的使用。6.2 收獲與體會 通過兩周的課程設(shè)計，讓我對數(shù)字電路知識有了進(jìn)一步的了解，包 括對一些元器件的功能和使用法有了進(jìn)一步的認(rèn)識，以前的學(xué)習(xí)主要在 于原理方面，對器件單一的認(rèn)知，缺少

17、模塊化的思想，而這次課程設(shè)計 正好彌補(bǔ)了以前學(xué)習(xí)的不足，讓我們更加注重于知識的運(yùn)用，在實(shí)踐中 加深了對知識的理解。在這次課程設(shè)計中，令我感觸最深的就是幾位同 學(xué)團(tuán)結(jié)合作，一起把所學(xué)的理論知識變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。在實(shí)踐中 獲取了不少知識，但更重要的時發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中思考不足動手不足 的問題，在今后的學(xué)習(xí)中，我一定會針對這些問題改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高 動手實(shí)踐能力。 從抽到課程設(shè)計的任務(wù)到在軟件中實(shí)現(xiàn)其功能，再到報告的撰寫， 這兩周的時間對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)的知識應(yīng)用到生活實(shí)際中去。以前學(xué)習(xí)總感覺知識與實(shí)際脫離的太 遠(yuǎn)，學(xué)得再好

18、，過不了多長時間就全忘了，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，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到了知識的魅力， 實(shí)踐的樂趣。 在設(shè)計過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計及單 位顯示電路的設(shè)計是值得注意的。74LS160 對計數(shù)脈沖有一定的要求， 同時多諧振蕩器的頻率也會影響測量精度。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)計量程時，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)計的。 當(dāng)然，在整個設(shè)計過程中并非只遇到這幾個問題。我們可能會因?yàn)?14 一個問題而在電腦前調(diào)試好幾個小時。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，我們才能體會到成功后的喜悅，也只 有這樣，我們才能真正學(xué)到知識，開拓思維，提高動手能力。在我看來， 拼裝出這個電路是其次，因?yàn)樵诰W(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個電路。 重要的是培養(yǎng)自己的