電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、目 錄1、設(shè)計(jì)指標(biāo)32、設(shè)計(jì)原理32.1設(shè)計(jì)原理框圖32.2 設(shè)計(jì)方案32.3 模塊介紹42.3.1 控制電路42.3.2 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器42.3.3 計(jì)數(shù)器和顯示器63、單元電路的設(shè)計(jì)63.1 多諧振蕩器63.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器8整流電路采用直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路9直流穩(wěn)壓電源的原理框圖分析9直流穩(wěn)壓電源特點(diǎn)104、設(shè)計(jì)制作過程及整體電路圖104.1設(shè)計(jì)制作過程104.2整體電路圖115、芯片介紹115.1 555芯片功能介紹115.2 74LS192芯片介紹13總結(jié)14致謝15參考文獻(xiàn)161、設(shè)計(jì)指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)目的(1) 掌握數(shù)字電容測(cè)試儀的構(gòu)成、原理和設(shè)計(jì)方法。(2) 掌握集成電路的使用方

2、法。1.2 基本要求（1） 電容測(cè)量范圍為1000pF10uF，輸出應(yīng)能直接顯示其值，誤差5%，電源電壓為+5V。（2） 量程可切換，顯示值能夠標(biāo)定。 （3） 要求最終正確無(wú)誤地完成全部電路設(shè)計(jì)，并具有一定先進(jìn)性，對(duì)電路設(shè)計(jì)也應(yīng)提出建議性意見并寫出合格的課程設(shè)計(jì)說明書，圓滿完成各項(xiàng)任務(wù)。2、設(shè)計(jì)原理2.1設(shè)計(jì)原理框圖圖1.電容測(cè)試儀原理框圖2.2 設(shè)計(jì)方案利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖寬窄，即控制脈沖寬度 Tx 與 Cx成正比。只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時(shí)鐘脈沖相與，便可得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后再送給顯示器顯示。如果時(shí)鐘脈沖的頻

3、率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是電容 Cx的大小。之所以選擇該方案是考慮到這個(gè)方案不僅設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，而且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。2.3 模塊介紹 控制電路控制器的主要功能是根據(jù)被測(cè)電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制脈沖Tx。圖2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：圖2.單穩(wěn)態(tài)控制電路原理圖當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，只要按一下開關(guān) S，電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路、和反向器，送給 555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端2。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)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖健Ｔ摳唠娖娇刂婆c門使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過，送入

4、計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)數(shù)。可見，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，可以達(dá)到測(cè)量電容的要求。由于設(shè)計(jì)要求 ，Cx的變化范圍為 1000pF10uF，且測(cè)量的時(shí)間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(10uF)時(shí)， Tx<2s，根據(jù) Tx=1.1RCx可求得：R<TX/(1.1CX)=2/(1.1×10×10-6)歐=181.8千歐取R3=180K。微分電路可取=1K，=10K，=l。 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器這

5、里選用由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘產(chǎn)生功能。電路原理圖如圖3所示：振蕩波形的周期為：圖3.由555定時(shí)電路構(gòu)成的多諧振蕩器T=tp1+tp20.7(R2+R1)C3其中tp1 0.7(R2+R1)C2 ,tp20.7R1C2占空比為：q=tp1/T=（R2+R1）/(R2+2R1)因?yàn)闀r(shí)鐘周期T0.7(R2+R1) 是在忽略了555定時(shí)器6腳的輸入電流條件下得到的，而實(shí)際上 6腳有10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10uF。又因?yàn)橐?Cx =10uF時(shí)，Tx=2s，所以需要時(shí)鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生脈沖。即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms即：。如果選

6、擇占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，則 ： = 11.43K =-5.713K 取標(biāo)稱值：=5.6K，=12K 最后還要根據(jù)所選電阻、的阻值，校算流過、的最小電流是否大于 10uA 。從圖可以看出，當(dāng)上電壓達(dá)到時(shí)，流過、的電流最小，為: =95uA 振蕩周期： 可見所選元件基本滿足設(shè)計(jì)要求，為了調(diào)整振蕩周期，可選用5.6K的電位器。 計(jì)數(shù)器和顯示器 由于計(jì)數(shù)器的技術(shù)范圍為1uF9999uF，因此需要4個(gè)二十進(jìn)制加數(shù)計(jì)數(shù)器。這里用4片74LS192級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成所需的計(jì)數(shù)器。四片74LS192和四個(gè)數(shù)碼管的連接如下圖4所示：圖4.四片74LS192和四個(gè)數(shù)碼管連接的電

7、路圖3、單元電路的設(shè)計(jì)3.1 多諧振蕩器由555定時(shí)電路構(gòu)成的多諧振蕩器如圖5所示，它既為下一級(jí)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)提供信號(hào)脈沖。其工作原理如下：多諧振蕩器只有兩個(gè)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C上電壓UC略低于 ，Uo輸出高電平，V1截止，D1導(dǎo)通，D2截止，電源Ucc通過R1、R2 給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行Uc逐漸增高，但只要， 輸出電壓Uo就一直保持高電平不變，這就是第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C上的電壓Uc略微超過 時(shí)(即U6和U2均大于等于 時(shí))， RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓Uo從原來(lái)的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即Uo=0，V1導(dǎo)通飽和，此時(shí)

8、電容C通過D2、R2和V1放電。隨著電容C放電，Uc下降，但只要， Uo就一直保持低電平不變，這就是第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)Uc下降到略微低于 時(shí)，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C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：圖5.多諧振蕩器工作波形如圖6所示：圖6.多諧振蕩器的工作波形3.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如圖7所示，它可以產(chǎn)生占空比一定的脈波，此脈波用來(lái)控制計(jì)數(shù)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路后加反相器用來(lái)控制74273鎖存計(jì)數(shù)值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理如下：1、 無(wú)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)電路無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ui 保持

9、高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，Q=0,即輸出端uo保持低電平，555內(nèi)放電三極管VT飽和導(dǎo)通，管腳7“接地”，電容電壓uc為0V。圖7.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2、充電過程當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)是時(shí)，555觸發(fā)器輸入端2腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，電路被觸發(fā)，Q=1，uo由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑虼巳龢O管VT截止，電路開始有電源Vcc經(jīng)電阻R對(duì)電容C充電，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)時(shí)，處于中間保持狀態(tài)，仍有輸出uo=1，這個(gè)充電過程為電路的暫態(tài)過程。3、放電過程當(dāng)電容C的電位uc由于充電而不斷上升，趨勢(shì)是U（）=Vcc，但當(dāng)uc剛剛略大于時(shí)，此時(shí)由于2腳的負(fù)尖脈沖早已過去，故R=0，S=1，進(jìn)而有Q=0，此時(shí)輸出應(yīng)為uo=0

10、, 三極管VT導(dǎo)通，電容上充的電將通過VT迅速放電，致使6腳的電壓為0V，這進(jìn)一步保證了輸出又回到了uo=0的穩(wěn)定狀態(tài)。4、恢復(fù)過程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導(dǎo)通的三極管VT放電，經(jīng)過一段時(shí)間后，電容放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束，恢復(fù)過程結(jié)束后，電路返回穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可以接收新的觸發(fā)信號(hào)。3.3 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)整流電路采用直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路（1）電網(wǎng)供電電壓為交流220V（有效值），50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要的交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向的直流電，但其幅值變化大，與理想的直流電壓相差很遠(yuǎn)。（3）脈動(dòng)大的直流

11、電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑的，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。（4）濾波后的直流電壓再通過穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路利用自動(dòng)調(diào)整的原理，使輸出的電壓基本不受電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流變化的影響，便可得到基本上不受外界影響的穩(wěn)定的直流電壓輸出，供給負(fù)載。直流穩(wěn)壓電源的原理框圖分析采用電源變壓器將電網(wǎng)220V，50Hz交流電降壓后送整流電路，整流電路采用橋式整流電路，整流橋選用的二極管需要考慮允許承受的電壓和電流值。圖8.直流穩(wěn)壓電源的原理框圖濾波器常采用無(wú)源元件R，L，C構(gòu)成的不同類型濾波電路。由于本電路為小功率 電源，故可用電容濾波電路。穩(wěn)壓電路采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。比較放大單元采用分立三

12、極管組成的差動(dòng)放大器或者集成運(yùn)算放大器，可提高電路的穩(wěn)定性。 過流保護(hù)器：串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)，當(dāng)輸出電流過大或者輸出短路時(shí)，調(diào)整管會(huì)因電流過大或電壓過高使管耗過大而損壞，所以須對(duì)調(diào)整管采取保護(hù)措施。直流穩(wěn)壓電源特點(diǎn)采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源，具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及性能優(yōu)良等許多特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。圖9. 直流穩(wěn)壓電源電路圖從電路中我們可看出，此電路多加了一只三極管和幾只電阻，R2與D組成BG2的基準(zhǔn)電壓，R3，Rp，R4組成了輸出電壓取樣支路，T2b點(diǎn)的電位與T2e點(diǎn)的電位進(jìn)行比較（由于DZ1的存在，所以T2e點(diǎn)的電位是恒定的），比較的結(jié)果有T2的集電極輸出使T2c點(diǎn)電

13、位產(chǎn)生變化從而控制T1的導(dǎo)通程度（此時(shí)的BG1在電路中起著一個(gè)可變電阻的作用），使輸出電壓穩(wěn)定，Rp是一個(gè)可變阻器，調(diào)整它就可改變A點(diǎn)的電位（即改變?nèi)又担┯捎赥2e點(diǎn)的變化，T2c點(diǎn)電位也將變化，從而使輸出電壓也將發(fā)生變化。這種電路其輸出電壓靈活可變，所以在各種電路中被廣泛應(yīng)用。 4、設(shè)計(jì)制作過程及整體電路圖4.1設(shè)計(jì)制作過程(1) 查閱資料，了解數(shù)字電容測(cè)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(gè)個(gè)單獨(dú)的模塊。(2) 通過查閱集成塊的參考書，了解各個(gè)模塊中的集成塊的構(gòu)造就作用，對(duì)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EWB

14、(Electronics Workbench)軟件，通過網(wǎng)絡(luò)教程對(duì)軟件的使用方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，初步學(xué)會(huì)通過該軟件設(shè)計(jì)電路圖。(4) 根據(jù)整體電路的要求，設(shè)計(jì)出各個(gè)部分模塊的電路，通過示波器的檢查，確保各個(gè)模塊正常工作。(5) 把設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊組裝成整體的電路，并且根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試，知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。4.2 整體電路圖圖10. 整體電路5、芯片介紹5.1 555芯片功能介紹555時(shí)基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。該電路可以在最基本的典型應(yīng)用方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)過參數(shù)配置和電路的重新組合，與外接少量的阻容元件就能構(gòu)成不同的電路，因而555電路在

15、波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。 555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能：圖11為555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和8腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成。它的各個(gè)引腳功能如下：     1腳：GND(或VSS)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.516V型電路VCC的范圍為318V，一般用5V。 圖11. 555電路結(jié)構(gòu)和引腳圖   3腳：OUT（

16、或Vo）輸出端。     2腳：TR低觸發(fā)端。     6腳：TH高觸發(fā)端。     4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。      5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基 準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。     7腳：D放電

17、端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5k的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。    

18、 在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器C1、C2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表1所示： 表1.555時(shí)基電路的功能表5.2 74LS192芯片介紹5.2.1 74LS192的引腳功能1）：異步置數(shù)控制端2） CR ：異步置0控制端3） CPU: 加計(jì)數(shù)控制端4） CPD : 減計(jì)數(shù)控制器5） D0D3: 并行數(shù)據(jù)輸入端6） Q0 Q3：輸出端5.2.2 74LS192的功能表表2.74LS192的功能表 輸 入 輸 出備 注CR CPU CPD 1 × × × × × × ×0

19、 0 0 0異步清零0 0 × × 異步置數(shù)0 1 1 × × × ×加 法 計(jì) 數(shù)計(jì)數(shù)0 1 1 × × × ×減 法 計(jì) 數(shù)0 1 1 1 × × × ×保 持總 結(jié)在設(shè)計(jì)的最初階段，由于通過資料的查閱，對(duì)各個(gè)模塊的電路圖有了初步的了解，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠得心應(yīng)手，特別在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)和顯示電路模塊的時(shí)候，設(shè)計(jì)過程比較流暢，第一天便完成了任務(wù)。但是在接下來(lái)設(shè)計(jì)控制器電路和時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電路時(shí)，遇到了一點(diǎn)點(diǎn)的小麻煩，由于設(shè)計(jì)這兩個(gè)模塊需要對(duì)555集成塊進(jìn)行連接，但是當(dāng)時(shí)對(duì)555集成塊理論知識(shí)的掌握不夠全面，所以設(shè)計(jì)出來(lái)以后電路有問題，不能正常工作。所以我們決定先暫停設(shè)計(jì)，翻閱課本和在圖書館借來(lái)的資料，把555集成塊的結(jié)構(gòu)和功能研究了一遍，最后終于成功了設(shè)計(jì)出來(lái)，這也剛好驗(yàn)證了那句老話“磨刀不誤砍柴工”。為期兩周的課程設(shè)計(jì)這么快就結(jié)束了，雖然很短暫，但是我的收獲很多：1.對(duì)555定時(shí)器電路及其構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器有了更深的了解和認(rèn)識(shí)，掌握了在課堂上學(xué)不到的知識(shí)。2.培養(yǎng)了自己的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力，在課程設(shè)計(jì)中，遇到不會(huì)的問題，除了請(qǐng)教老師和同學(xué)外，還可以查閱資料。3. 此次課程設(shè)