數(shù)字電容測試儀

1、1 課程設(shè)計目的在實際的電子線路的設(shè)計中經(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。電容容量的測量一般不夠直觀，為了方便人們對電容的直接測量，我們組通過查閱資料并結(jié)合自己所學的知識設(shè)計了一個能直接顯示被測電容容量大小的數(shù)字電容測量儀。2 課程設(shè)計指標（1） 被測電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)。（2） 設(shè)計測量量程。（3） 用3位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于10%。（4） 響應時間在2s內(nèi)3 課程設(shè)計原理3.1 設(shè)計方案利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電容器充放電規(guī)律，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成對應脈沖的寬窄，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、時鐘脈沖相連，便可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖傳送給計數(shù)器計數(shù)，然后再給顯示器顯示。若時鐘脈沖的頻率等參數(shù)選擇得當，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是待測電容器容量的大小。我們之所以會選擇該方案是由于我們剛學到的數(shù)字電子技術(shù)書中學到了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理、用多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖的原理，考慮到選這個方案設(shè)計比較容易，而且所需電路圖及原理都比較熟悉，必要時還可以擴展量程，更重要的是該方案設(shè)計出來的數(shù)字測試儀測量的結(jié)果比較精確。3.2 設(shè)計原理框圖多諧振蕩器控制電路計數(shù)器顯示器待測電容清零模塊圖中多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，控制電路將待測電容的容量值轉(zhuǎn)化成相應寬度的脈沖，計數(shù)器記錄這段寬度脈沖數(shù)目，并由顯示器顯示出來

3、，清零模塊用于將計數(shù)器清零。4 設(shè)計的步驟和過程4.1 控制電路 控制電路的主要功能是根據(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，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：當被測電容 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定時器的低電平觸發(fā)端TRI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)，使其輸出端OUT由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時鐘脈沖信號通過，送入計數(shù)器計數(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，計數(shù)器停止計數(shù)?？?/p>

4、見，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，從而達到測量電容的要求 。該輸出端輸出電壓波形如下圖： 由于設(shè)計要求 ，Cx的變化范圍為1uF100uF，且測量的時間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999uF)時 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)驗數(shù)值，取 R1=1K，R2 =10K，C1=luF。同理可計算得，Cx的變化范圍為0.01uF1uF時 R3=180K。4.2 時鐘脈沖發(fā)生器 由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)時鐘脈沖的產(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) 因為時鐘周期T=0.7(R5+2R4) 是在忽略了555定時器THR腳的輸入電流條件下得到的，而實際上THR腳有 10uA 的電流流入因此，為了減小該電流的影響，應使流過的電流最小值大于 10uA 又因為要求 Cx =100uF時，Tx=2s，所以需要時鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生100脈沖即時鐘脈沖周期應為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R4、R5的最小電流是否大于 10uA 從圖可以看出，當C4上電壓uc達到 2V 3時，流過 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 可見所選元件基本滿足設(shè)

7、計要求為了調(diào)整振蕩周期，R5可選用5.6K的電位器 4.3 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74LS160級聯(lián)起來構(gòu)成所需的計數(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，打向下面計數(shù)。5 設(shè)計電路的仿真和運行結(jié)果5.1 電路的調(diào)試 重按照整機電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試計數(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)試時鐘脈沖發(fā)生器和控制電路.首先調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復合設(shè)計要求用頻率計檢測電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測波形調(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100uF的標準電容接到測試端，接通開關(guān)s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再復上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個100uF的標準電容接到測試端, 按一下開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計算: (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0.01uF的標準電容接到測試端，接

9、通開關(guān)s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是0.01，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再復上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個0.21uF 的標準電容接到測試端,接通開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計算： （0.22-0.21）/0.21*100%=4.8%10 符合要求。5.2 結(jié)果及分析 經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當被測電容容量在1uF到100uF之間時，測量值比較精確，而當被測電容容量在0.01uF到1uF之間時，測量值誤差較大。這是由于前者計數(shù)脈沖數(shù)目多，整體的誤差就小

10、，而后者計數(shù)脈沖數(shù)目少，所以誤差就大。6 結(jié)論6.1 設(shè)計過程中遇到的疑難及解決辦法 在設(shè)計的過程中，各個模塊的設(shè)計都很順利，思路也很清晰，很快，模塊都做好了，但是到連接總電路時，問題卻來了，怎樣將脈沖信號和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號儀器連接到計數(shù)器端口，又怎樣控制計數(shù)器清零，面對困難，我們小組一起討論，最總決定用與門將脈沖信號和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號相與，輸出端連接到計數(shù)器的時鐘端口，令計數(shù)器開始工作，然后用雙向開關(guān)控制計數(shù)器的清零端，使其順利清零。 6.2 課程設(shè)計心得體會歷時兩周的課程實習結(jié)束了，這兩周的親身經(jīng)歷激發(fā)了我對電子產(chǎn)品設(shè)計的濃厚興趣。從任務書下發(fā)的那天開始，我就全身心投入了數(shù)字電容測量儀的設(shè)

11、計之中。首先我從網(wǎng)上和圖書館收集了一些關(guān)于數(shù)字電容測量儀的資料，對其原理有了比較系統(tǒng)的認識，而后我開始設(shè)計方案，經(jīng)過我和同伴的努力，我們最終決定用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作時間控制回路，因為它的暫穩(wěn)態(tài)有時間限制，且這個時間比較好控制和計算，加上它能利用對電容的充放電過程將電容的容量值轉(zhuǎn)化為相應的脈沖寬度。接著用多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器連接起來，就可以將電容容量值轉(zhuǎn)化為脈沖寬度，再通過計數(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，那么顯示器顯示的值即為待測電容的容量值。設(shè)計好了方案，我著手計算參數(shù)的值，然后在EWB軟件上面模擬仿真，在幾天的不斷改進和嘗試

12、下，我終于把電路運行出來了，那一刻我感到十分欣慰。作為整個學習體系的有機組成部分，課程設(shè)計雖然只安排在兩周內(nèi)進行，但并不代表它不重要，它給我們提供了一個理論聯(lián)系實際的平臺。通過這個平臺我們能把課堂上學到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應用于實際設(shè)計工作，并從理論的高度對設(shè)計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設(shè)想。實踐出真知，我們不但能通過實踐加強理論知識，還能從實踐中學到課本上學不到的知識。作為電子信息工程，一個工科性的專業(yè)，實際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學是遠遠不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這次課程設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的縮影，通過課程設(shè)計，讓我找出了自身狀況與實際需要的差距，我

13、想我會在以后的學習生活中及時補充相關(guān)知識，為將來畢業(yè)求職與正式工作做好充分的知識、能力準備，從而縮短從校園走向社會的心理轉(zhuǎn)型期。 這次課程設(shè)計達到了我專業(yè)學習的預期目的。在兩個星期的課程設(shè)計之后，我發(fā)現(xiàn)自己不僅實際動手能力有了提高，我獨自解決問題的能力也得到了很好的鍛煉，更重要的是通過設(shè)計，激發(fā)了我們對專業(yè)知識的興趣，并能夠結(jié)合實際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進行更深入的學習。這次實習我收獲很多，這將對我的專業(yè)學習和以后的社會工作影響深遠，我感謝學院安排了這樣寶貴的實習機會給我們，讓我們能鍛煉自我。7參考文獻1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版），童詩白主編，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、電子測試技術(shù)，金唯香、謝玉梅主編，湖南大學出版社4、電子技術(shù)課程設(shè)計指導，彭介華主編，高等教育出版社5、電子技術(shù)實驗指導書，李國麗、朱維勇主編，中國科技