數(shù)字電容測(cè)試儀

1、1 課程設(shè)計(jì)目的在實(shí)際的電子線路的設(shè)計(jì)中經(jīng)常要用到電容器，而電容器的容量值大小直接影響它在電路中的作用。電容容量的測(cè)量一般不夠直觀，為了方便人們對(duì)電容的直接測(cè)量，我們組通過(guò)查閱資料并結(jié)合自己所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)能直接顯示被測(cè)電容容量大小的數(shù)字電容測(cè)量?jī)x。2 課程設(shè)計(jì)指標(biāo)（1） 被測(cè)電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)。（2） 設(shè)計(jì)測(cè)量量程。（3） 用3位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)量誤差小于10%。（4） 響應(yīng)時(shí)間在2s內(nèi)3 課程設(shè)計(jì)原理3.1 設(shè)計(jì)方案利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電容器充放電規(guī)律，可以把被測(cè)電容的大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)脈沖的寬窄，即脈沖寬度與電容器容量大小成正比。只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即

2、時(shí)鐘脈沖相連，便可得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖傳送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后再給顯示器顯示。若時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)選擇得當(dāng)，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是待測(cè)電容器容量的大小。我們之所以會(huì)選擇該方案是由于我們剛學(xué)到的數(shù)字電子技術(shù)書中學(xué)到了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理、用多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的原理，考慮到選這個(gè)方案設(shè)計(jì)比較容易，而且所需電路圖及原理都比較熟悉，必要時(shí)還可以擴(kuò)展量程，更重要的是該方案設(shè)計(jì)出來(lái)的數(shù)字測(cè)試儀測(cè)量的結(jié)果比較精確。3.2 設(shè)計(jì)原理框圖多諧振蕩器控制電路計(jì)數(shù)器顯示器待測(cè)電容清零模塊圖中多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，控制電路將待測(cè)電容的容量值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)寬度的脈沖，計(jì)數(shù)器記錄這段寬度脈沖數(shù)目，并由顯示器顯示出來(lái)

3、，清零模塊用于將計(jì)數(shù)器清零。4 設(shè)計(jì)的步驟和過(guò)程4.1 控制電路 控制電路的主要功能是根據(jù)被測(cè)電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制脈沖寬度 Tx，下圖所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖。該電路的工作原理如下：當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，只要接通開關(guān) S，電源電壓Vcc 經(jīng)由微分電路C1、Rl和反向器，送給 555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端TRI一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，使其輸出端OUT由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過(guò)，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)端暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1R3*Cx。然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)，其輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，從而封鎖與門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。可

4、見(jiàn)，控制脈沖寬度 Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)將與Cx的容量值成正比，從而達(dá)到測(cè)量電容的要求 。該輸出端輸出電壓波形如下圖： 由于設(shè)計(jì)要求 ，Cx的變化范圍為1uF100uF，且測(cè)量的時(shí)間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999uF)時(shí) Tx<2s，根據(jù) Tx=1.1R3*Cx可求得 ： R3=18.2K。取R=18K。微分電路可取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，取 R1=1K，R2 =10K，C1=luF。同理可計(jì)算得，Cx的變化范圍為0.01uF1uF時(shí) R3=180K。4.2 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生功能電路原理圖及其輸

5、出波形如下圖所示：振蕩波形的周期為： T=tp1+tp2=0.7(R4+R5)C3其中tp1=0.7(R4+R5)C3，tp2=0.7R4C3占空比為： q=tplT=(R4+R5)(R5+2R4) 因?yàn)闀r(shí)鐘周期T=0.7(R5+2R4) 是在忽略了555定時(shí)器THR腳的輸入電流條件下得到的，而實(shí)際上THR腳有 10uA 的電流流入因此，為了減小該電流的影響，應(yīng)使流過(guò)的電流最小值大于 10uA 又因?yàn)橐?Cx =100uF時(shí)，Tx=2s，所以需要時(shí)鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生100脈沖即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T=20ms即：T=tpl+tp2=0.02s 如果選擇占空比q=0.6，即 q=tplT=

6、0.6 由此可求得： tp1=0.6T=0.60.02s=0.012s tp2= T-tpl =(0.02-0.012)s=0.008s 取 C4=0.1uf，則 ： R5=tp20.7C=11.43K R5=tpl0.7C4-R4=5.713K 取標(biāo)稱值：R5=5.6K，R4=12K 最后還要根據(jù)所選電阻R4、R5的阻值，校算流過(guò)R4、R5的最小電流是否大于 10uA 從圖可以看出，當(dāng)C4上電壓uc達(dá)到 2V 3時(shí)，流過(guò) R4、R5的電流最小，為: I min=(Vcc-2Vcc3)(R4+R5)=95uA 振蕩周期： T=0.7(R5+2R4)C4 =20.07ms 可見(jiàn)所選元件基本滿足設(shè)

7、計(jì)要求為了調(diào)整振蕩周期，R5可選用5.6K的電位器 4.3 計(jì)數(shù)和顯示電路 由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為 1100，因此需要采用 3個(gè)二十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器這里選用 3片74LS160級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成所需的計(jì)數(shù)器三片74LS160和數(shù)碼管連接如下圖:圖中開關(guān)為清零控制模塊，把它打向上面為清零，打向下面計(jì)數(shù)。5 設(shè)計(jì)電路的仿真和運(yùn)行結(jié)果5.1 電路的調(diào)試 重按照整機(jī)電路圖接好電路，檢查無(wú)誤后即可通電調(diào)試計(jì)數(shù)和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，不用調(diào)整主要調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器和控制電路.首先調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復(fù)合設(shè)計(jì)要求用頻率計(jì)檢測(cè)電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測(cè)波形調(diào)整 電位器，使輸出脈沖頻率

8、約為 500Hz，接著調(diào)試控制器1uF100uF檔位電路圖調(diào)試如下：將一個(gè)100uF的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端，接通開關(guān)s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時(shí)鐘脈沖通過(guò)并開始計(jì)時(shí)如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說(shuō)明時(shí)鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再?gòu)?fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個(gè)100uF的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端, 按一下開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計(jì)算: (98-97.8)/100*100%=0.2% <10% 符合要求。0.01uF-1uF檔位電路圖調(diào)試如下：將一個(gè)0.01uF的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端，接

9、通開關(guān)s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時(shí)鐘脈沖通過(guò)并開始計(jì)時(shí)如果顯示器顯示的數(shù)字不是0.01，則說(shuō)明時(shí)鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再?gòu)?fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個(gè)0.21uF 的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端,接通開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計(jì)算： （0.22-0.21）/0.21*100%=4.8%10 符合要求。5.2 結(jié)果及分析 經(jīng)過(guò)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測(cè)電容容量在1uF到100uF之間時(shí)，測(cè)量值比較精確，而當(dāng)被測(cè)電容容量在0.01uF到1uF之間時(shí)，測(cè)量值誤差較大。這是由于前者計(jì)數(shù)脈沖數(shù)目多，整體的誤差就小

10、，而后者計(jì)數(shù)脈沖數(shù)目少，所以誤差就大。6 結(jié)論6.1 設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的疑難及解決辦法 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都很順利，思路也很清晰，很快，模塊都做好了，但是到連接總電路時(shí)，問(wèn)題卻來(lái)了，怎樣將脈沖信號(hào)和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號(hào)儀器連接到計(jì)數(shù)器端口，又怎樣控制計(jì)數(shù)器清零，面對(duì)困難，我們小組一起討論，最總決定用與門將脈沖信號(hào)和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號(hào)相與，輸出端連接到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端口，令計(jì)數(shù)器開始工作，然后用雙向開關(guān)控制計(jì)數(shù)器的清零端，使其順利清零。 6.2 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)歷時(shí)兩周的課程實(shí)習(xí)結(jié)束了，這兩周的親身經(jīng)歷激發(fā)了我對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的濃厚興趣。從任務(wù)書下發(fā)的那天開始，我就全身心投入了數(shù)字電容測(cè)量?jī)x的設(shè)

11、計(jì)之中。首先我從網(wǎng)上和圖書館收集了一些關(guān)于數(shù)字電容測(cè)量?jī)x的資料，對(duì)其原理有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，而后我開始設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)我和同伴的努力，我們最終決定用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作時(shí)間控制回路，因?yàn)樗臅悍€(wěn)態(tài)有時(shí)間限制，且這個(gè)時(shí)間比較好控制和計(jì)算，加上它能利用對(duì)電容的充放電過(guò)程將電容的容量值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖寬度。接著用多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器連接起來(lái)，就可以將電容容量值轉(zhuǎn)化為脈沖寬度，再通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)目，由顯示器顯示出結(jié)果。只要多諧振蕩器的頻率參數(shù)選取得當(dāng)，那么顯示器顯示的值即為待測(cè)電容的容量值。設(shè)計(jì)好了方案，我著手計(jì)算參數(shù)的值，然后在EWB軟件上面模擬仿真，在幾天的不斷改進(jìn)和嘗試

12、下，我終于把電路運(yùn)行出來(lái)了，那一刻我感到十分欣慰。作為整個(gè)學(xué)習(xí)體系的有機(jī)組成部分，課程設(shè)計(jì)雖然只安排在兩周內(nèi)進(jìn)行，但并不代表它不重要，它給我們提供了一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái)。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)我們能把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識(shí)，嘗試性地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作，并從理論的高度對(duì)設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)代化提出一些有針對(duì)性的建議和設(shè)想。實(shí)踐出真知，我們不但能通過(guò)實(shí)踐加強(qiáng)理論知識(shí)，還能從實(shí)踐中學(xué)到課本上學(xué)不到的知識(shí)。作為電子信息工程，一個(gè)工科性的專業(yè)，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這次課程設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的縮影，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我找出了自身狀況與實(shí)際需要的差距，我

13、想我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)生活中及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為將來(lái)畢業(yè)求職與正式工作做好充分的知識(shí)、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會(huì)的心理轉(zhuǎn)型期。 這次課程設(shè)計(jì)達(dá)到了我專業(yè)學(xué)習(xí)的預(yù)期目的。在兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)之后，我發(fā)現(xiàn)自己不僅實(shí)際動(dòng)手能力有了提高，我獨(dú)自解決問(wèn)題的能力也得到了很好的鍛煉，更重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)，激發(fā)了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問(wèn)題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。這次實(shí)習(xí)我收獲很多，這將對(duì)我的專業(yè)學(xué)習(xí)和以后的社會(huì)工作影響深遠(yuǎn)，我感謝學(xué)院安排了這樣寶貴的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)給我們，讓我們能鍛煉自我。7參考文獻(xiàn)1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版），童詩(shī)白主編，高教出版社2、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版/第五版），閻石主編，高教出版社3、電子測(cè)試技術(shù)，金唯香、謝玉梅主編，湖南大學(xué)出版社4、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，彭介華主編，高等教育出版社5、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，李國(guó)麗、朱維勇主編，中國(guó)科技