數(shù)電論文簡易數(shù)顯式電容計的設(shè)計

1、編號本科生課程設(shè)計報告題目：簡易數(shù)顯式電容計的設(shè)計學(xué)院專業(yè)學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 二一年七月簡易數(shù)顯式電容計的設(shè)計一：設(shè)計任務(wù)和要求1.測量范圍為1999nF。2.用三位LED數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。3.具有超量程指示。4.能自動地進(jìn)行連續(xù)測量。測量周期為4秒，測量結(jié)果保持2秒左右。二：簡易數(shù)顯式電容計的組成和工作原理振蕩器計數(shù)器顯示譯碼電路超量程指示電路控制電路CT轉(zhuǎn)換電路1-1 簡易數(shù)顯式電容計的組成框圖數(shù)顯式電容計具有測量速度快，讀書方便等優(yōu)點，正在逐步取代傳統(tǒng)的電容測試方法。簡易數(shù)顯式電容計的框圖如圖1-1所示，它由CT轉(zhuǎn)換電路，振蕩器，控制電路，譯碼顯示電路和超量程指示電路等六部分組

2、成。1CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號，使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時時間正比于定時電容的關(guān)系，因此可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)此功能。2.振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖,讓計數(shù)器在CT轉(zhuǎn)換期間計數(shù)。如果Cx大，則Tx大，那么在Tx期間計數(shù)器計的脈沖數(shù)就多，而計到的脈沖數(shù)多，代表Cx就大。只要調(diào)整好振蕩器的振蕩頻率，就可以使計數(shù)器計到的脈沖數(shù)（用十進(jìn)制表示）就是被測電容的nF數(shù)。3計數(shù)器是三位十進(jìn)制計數(shù)器。4顯示譯碼電路是把計數(shù)器計到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來。5超量程指示電路的作用是當(dāng)計數(shù)器計到的脈沖數(shù)超過999時，產(chǎn)生一個指示信號，即代表被測電容的電容量超過了9

3、99nF,此時顯示器的讀書已不是Cx的值。6 控制電路的作用是用來產(chǎn)生控制各部分電路正常工作的時序信號。如果用下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，用上升沿使計數(shù)清零和超量程指示電路復(fù)位，測量過程的時序圖如下1-2所示。圖1-2 數(shù)字式電容計測量過程時序圖7設(shè)計時采用CMOS集成電路，電源電壓用+5V。三：單元電路的設(shè)計1CT轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，定時時間與電容成正比，例如，在用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，有 tw =1.1RC式中R和C為定時電阻，電容。因此，在這里CT轉(zhuǎn)換電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖13所示，波形見圖14。圖中Tx =1.1RCx。圖13 轉(zhuǎn)換電

4、路圖CT轉(zhuǎn)換波形圖在電路中加入了由Cr和Rr組成的微分電路，這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入V11的下降沿觸發(fā)，定時時間與V11的低電平寬度無關(guān)?？紤]到定時精度和測量速度，設(shè)定測量范圍內(nèi)Tx的時間為0.1ms0.1s,，即取R=91K。2 多諧振蕩器的設(shè)計多諧振蕩器也用555定時器構(gòu)成，電路如圖15所示。 圖1-5 多諧振蕩器 多諧振蕩器的振蕩周期為：T =0.7(R1+R2)C,在Tx內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖數(shù)N =Tx /T，即有：N=1.1RCx / T根據(jù)設(shè)計要求，N就是被測電容Cx的nF數(shù)，則有T =1.1*91*103*10-910-4s也就是說振蕩器的振蕩頻率約為10KHz。 根據(jù)振蕩器周期的

5、計算公式，先取C =0.01uF。那么R1+2R2=14.3K，取R1 =6.8K，則R2應(yīng)為3.75 K?？梢杂?.7K的電位器作為R2來調(diào)整電容計的測量精度。3計數(shù)電路的設(shè)計（1）計數(shù)器的選用計數(shù)器采用。是三位BCD加法計數(shù)器，集成電路的引腳排列圖如圖17所示。圖1-6 MC14553引腳圖（2）MC14553功能說明MC14553邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-7所示。MC14553集成電路由三個同步級聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計數(shù)器，三個鎖存器以及分配鎖存器的多路傳輸器組成。此外，還有時鐘輸入端的整形電路，分配多路傳輸器的時序掃描電路和振蕩器電路，以及用顯示控制的數(shù)據(jù)選擇輸出， ，組成。圖1-7 M

6、C14553 邏輯結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-7中，振蕩器提供多路數(shù)據(jù)選擇器的低頻掃描時鐘脈沖，振蕩器的振蕩頻率取決于連接在引出端和之間的外接電容C1 的大小，若需外部時鐘，也可以從引出端處引入。振蕩器產(chǎn)生的掃描時鐘信號與三個位選擇輸出信號的時序關(guān)系見圖1-8所示。 在復(fù)位端“R”上施加“1”電平時，復(fù)位信號同時作用于BCD計數(shù)器，振蕩器和多路掃描電路，使得掃描電路處在初始狀態(tài)，掃描振蕩器禁止振蕩，同時置所有的三個位選擇輸出為“1”電平，從而不允許顯示。 當(dāng)時鐘禁止端“INH”為“1”時，禁止時鐘脈沖“CL”輸入BCD計數(shù)器，計數(shù)器保持禁止前的最后計數(shù)狀態(tài)。輸入端的脈沖整形電路允許輸入上升時間或下降時間

7、很緩慢的信號輸入計數(shù)器并能可靠地工作。 當(dāng)鎖存器的鎖存允許端“LE”為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態(tài)，保持原有的鎖存器內(nèi)的信息。這時BCD計數(shù)器即使施加復(fù)位信號，鎖存器仍然保持原有的信息。若需將鎖存器內(nèi)的信息清除，鎖存器“LE”端加“0”電平。MC14553電路還提供了一個溢出輸出端“OF”，計數(shù)器每逢輸入第1000個時鐘脈沖的上升沿時，溢出端“OF”輸出一個完整的脈沖，該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。（3）計數(shù)器電路的連接根據(jù)CT轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換期間的輸出是高電平，以及要用來控制計數(shù)器計數(shù)，可從表11中灰色的三行看出，將CT轉(zhuǎn)換電路的輸出加到“CL”端，計數(shù)脈沖從“INH”端引入，計數(shù)器其

8、他電路的連接電路如圖110所示。4顯示譯碼電路的設(shè)計（1）顯示譯碼器的選用顯示譯碼器選用CD4511，CD4511是BCD七段鎖存/譯碼器/驅(qū)動器，其引腳排列圖如圖1-9和所示。圖1-9 CD4511引腳圖CD4511具有內(nèi)部抑制非BCD碼輸入的電路，當(dāng)輸入為非BCD碼時，譯碼器的七個輸出端全為“0”電平，顯示器暗（又稱為消隱）。在MC14511的輸入端有四位鎖存器，LE為選通端。當(dāng)“LE”為“0”電平時允許BCD碼輸入：當(dāng)LE為“1”電平時鎖存。MC14511每段的輸出驅(qū)動電流可達(dá)25mA，因此在驅(qū)動LED時要加限流電阻。a b c d e f ga b c d e f ga b c d e

9、 f g16436 2 1 7 5 6 7 9MC14553MC145111415 910111213 15 1 2VDD接單穩(wěn)態(tài)輸出VO1接多諧振蕩器 輸出V02清零信號超量程指示電路VDD 圖1-10 計數(shù)和顯示譯碼電路（2）顯示譯碼電路 計數(shù)和譯碼顯示電路如圖110所示，其中顯示譯碼器電路為掃描顯示電路（也稱為動態(tài)顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺惰性和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)。在圖1-10中，在MC14553輸出個位的BCD碼時， =0，個位的數(shù)碼管在V1的驅(qū)動下，顯示個位的數(shù)字。在這期間與均為1，V2，V3截止，十位和百位的數(shù)碼管上沒有顯示。接著，輸出十位的BCD時， =0，

10、只顯示十位的數(shù)字。然后當(dāng)=0時顯示百位的數(shù)字，再顯示十位的數(shù)字，就這樣的有周期性地掃描。當(dāng)掃描頻率較高時，我們看到的三位穩(wěn)定的顯示數(shù)字。在該電路中，由C1決定掃描頻率，故C1不能取得太大，不然數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍。（3）限流電阻的選取V C E =2V，則 顯示譯碼電路中的限流電阻，三極管的基極電阻和三極管的計算與選擇可按圖1-11所示的方法進(jìn)行，設(shè)圖中三極管V工作在放大區(qū)， R=200，RB=2.6K，三極管的=20。 實際的顯示譯碼電路中，一個三極管要驅(qū)動一只數(shù)碼管，即要驅(qū)動七只發(fā)光二極管，而且在掃描顯示中，數(shù)碼管的每段電流要大一些。設(shè)每段電流為15mA,基極電流由MC14553的輸出驅(qū)

11、動電流限制，設(shè)為1.3mA。這樣，可算得R=133，取130，R3=1k，=1571.380，在這里，選用的三極管的值要大于80，ICM 要大于105mA。5超量程指示電路的設(shè)計超量程指示電路如圖1-12所示。圖中由或非門構(gòu)成的是一個基本的RS觸發(fā)器。當(dāng)MC14553在計數(shù)到1000個脈沖時，“OF”端 會輸出一個正脈沖，RS觸發(fā)器Q置1，LED亮，表示被測電容已超過999nF，這時的顯示器讀數(shù)已不再是被測電容的容量，在復(fù)位信號的作用下，Q端置0，等待下一次測量。 1-12 超量程指示電路6控制電路的設(shè)計根據(jù)數(shù)字式電容計的工作原理，控制電路實際上是一低頻信號發(fā)生器，振蕩周期為4秒，它的精度和穩(wěn)

12、定度要求不高。因此，可用圖1-13所示的電路構(gòu)成。 圖1-13 控制電路振蕩電路中在RS的條件下，振蕩周期的估算式為1.8即有 1.8RC=4s取C=0.1uF,則R取22M。 由于MC14553在高電平清零時，位選擇輸出端都為1，將使顯示器消隱，如果清零信號的高電平持續(xù)時間較長，會看到消隱現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，控制電路中通過Cr和Rr組成的微分電路把清零信號加到計數(shù)器清零端。這樣，計數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零，即使清零的高電平持續(xù)很短，靠人眼的視覺惰性，就不會覺察到有消隱現(xiàn)象。 四：安裝與調(diào)試1 按照設(shè)計好的電路圖，在面包板上連接好線路。2 在調(diào)試時，可以借助超量程指示電路，對各部分

13、電路進(jìn)行檢查。3 在Cx處接入nF級校準(zhǔn)電容，調(diào)節(jié)R2，使數(shù)碼管顯示的讀書與校準(zhǔn)電容的容量一致。4 接上若干標(biāo)稱值在量程范圍內(nèi)的電容進(jìn)行測量，并記錄測量結(jié)果。再接入若干標(biāo)稱不在量程范圍內(nèi)的大電容和小電容，注意觀察電容計的工作情況。五：元件清單R: 2008, 2.7K4, 6.8K1, 10K1,91K2 , 22M2 電位器：5KC：1036 ，1041 ，4741 555： 2， MC14553：1，MC14511：1，CD4001：1LED：1，共陰七段顯示器 CC-5101AG：3 PNP三極管：85504 六：實驗體會本設(shè)計只能測量nF級的電容，下面針對多量程進(jìn)行設(shè)計。測試儀測量電容

14、的測量范圍為：100pF9900F，可分為8個量程。如圖所示為數(shù)字式電容測試電路。該測試儀由時基脈沖發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、加法計數(shù)器、譯碼、驅(qū)動器及LED發(fā)光數(shù)碼管等組成。 時基脈沖發(fā)生器由IC1b(1/2 556)及R6、R7、R8、W1、W2、C2等組成，其輸出的脈沖信號作為計數(shù)電路(IC3)所需要的計數(shù)脈沖。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC1a(1/2 556)與R3R5、Cx(待測電容)等組成，其輸出的觸發(fā)脈沖的寬度為td=1.1(R3R5)Cx，待測電容Cx越大，則觸發(fā)脈沖的定時寬度越大，相應(yīng)計數(shù)器IC3的計數(shù)就越多。通過量程選擇旋鈕，可讀出兩位顯示數(shù)字。 計數(shù)電路IC3采用雙BCD加法計數(shù)器CD4518，IC4