數(shù)字電容測(cè)試儀

1、17目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的12 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求13 設(shè)計(jì)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(jì)與分析44.1 555定時(shí)器組成的多諧振蕩器44.2 555定時(shí)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(jì)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(huì)14參考文獻(xiàn)16附錄1：總體電路原理圖171 課程設(shè)計(jì)的目的 （1）掌握簡(jiǎn)易數(shù)字式電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法；（2）熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理；（

2、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(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)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(jì)，得到原理框圖；2、要求： 技術(shù)指標(biāo)（1）電容測(cè)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(cè)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)行仿真實(shí)驗(yàn)4、要求三位同學(xué)實(shí)現(xiàn)不同分工。3 設(shè)

3、計(jì)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(cè)量?jī)x的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測(cè)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(jì)，它的設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)R、L、C有兩種實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測(cè)元件電壓；用恒壓源供電，然后測(cè)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(cè)量范圍很窄。方案二：應(yīng)用基本思想：把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測(cè)量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計(jì)

4、數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)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。可利用數(shù)字頻率計(jì)的知識(shí)，頻率的測(cè)量可用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算參數(shù)使待測(cè)電容與計(jì)數(shù)值滿足某一函數(shù)關(guān)系，通過這個(gè)函數(shù)關(guān)系可表示出待測(cè)電容的大小。而測(cè)脈沖寬度法事實(shí)上與測(cè)頻率法相同，脈沖作為門控信號(hào)，與時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的固定頻率相“與”，待測(cè)電容容量越大，脈沖寬度越寬，則相“與”后產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖越多，再按照測(cè)頻率法的方法就可以測(cè)量出待測(cè)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)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實(shí)現(xiàn)智能

5、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(jì)選擇方案三來實(shí)現(xiàn)測(cè)量電容的容值。3.2 方案論證設(shè)計(jì)思路:本設(shè)計(jì)是基于555定時(shí)器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測(cè)量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測(cè)量的電容Cx。其脈沖輸入信號(hào)是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號(hào)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(cè)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(duì)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(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，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)，經(jīng)過譯碼器，然后再送

6、給顯示器顯示，這個(gè)時(shí)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(jì)的總體框圖如圖3-1所示。圖3-1 設(shè)計(jì)的總體框圖4 單元電路的設(shè)計(jì)與分析4.1 555定時(shí)器組成的多諧振蕩器由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖4-1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。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(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C2上的電壓UC略低于 ，Uo輸出高電平，電源VCC通過R1、R2 給電容C2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

7、平不變，這就是第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C2上的電壓UC略微超過 時(shí)，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(shí)電容C2通過R2放電。隨著電容C2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)，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： （4-1）工作波形如圖4-2所示：圖4-2 多諧振蕩器波形振蕩波形的周期為： （4-2）其中 , ，占空比為： （4-3）因?yàn)闀r(shí)鐘周期 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

8、響，應(yīng)使流過的電流最小值大于10。又因?yàn)橐骉x=2s，即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms。即： 。如果選擇占空比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： 4.2 555定時(shí)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(shí)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(jì)數(shù)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路后加反相

9、器用來控制鎖存計(jì)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(hào)時(shí)，輸入為高電平。接通電源后，經(jīng)電阻R3對(duì)電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容C上的電壓時(shí)，輸出。與此同時(shí)電容C迅速放完電，不變。2觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，此時(shí)，輸出由低電平跳躍到高電平。此時(shí)，電源經(jīng)R3對(duì)C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間內(nèi)輸入電壓回到高電平。3自動(dòng)返回穩(wěn)定狀態(tài)隨著C的充電，電容C上的電壓逐漸增大。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由高電平跳躍到低電平。與此同時(shí)，C迅速放完電，。電路返回穩(wěn)定狀態(tài)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度為暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間（及占空比），它實(shí)際上為電容C上的電壓由V充到所需的時(shí)

10、間，可用下式估算: （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(jì)了三種，分別對(duì)應(yīng)不同的分辨率和量程，這是為了增加測(cè)量的精確程度，降低相對(duì)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(duì)應(yīng)待測(cè)電容的大小，其他兩個(gè)量程也是相同的道理，必須相應(yīng)開關(guān)，讀出讀數(shù)然后乘以分辨率，加上單位uF/5. 原理分析當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，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)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過，送入計(jì)數(shù)器

11、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)榈碗娖剑瑥亩怄i與門，停止計(jì)數(shù)?？梢?，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。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和Tx=1.1RCx可求得R=1.8K微分電路可取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，取=1K，=10K，=l。4.3 74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器主要用來對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)并送入顯示電路顯示。計(jì)數(shù)器選用74LS160進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便。 74LS160是集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計(jì)數(shù)和保持四種功能有進(jìn)位信號(hào)輸出端，可串接計(jì)數(shù)使用。由三個(gè)74LS160構(gòu)

12、成的計(jì)數(shù)器電路如圖4-4所示：圖4-4 計(jì)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(dòng)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(gè)74LS47譯碼器和三個(gè)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 電路的安裝調(diào)試(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)

13、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(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。5.2 電路的仿真仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)一：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)電容值為46的電容， 啟動(dòng)開關(guān)A,結(jié)果顯示如圖5-1:圖5-1 仿真測(cè)試圖1讀數(shù)：47*1=47誤差計(jì)算：，符合誤差在±5%之內(nèi)的要求仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)二：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)

14、電容值2的電容， 啟動(dòng)開關(guān)B結(jié)果顯示如圖5-2所示:圖5-2 仿真測(cè)試圖2讀數(shù)：21*0.1=2.1誤差計(jì)算：，符合誤差在±5%之內(nèi)的要求。仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)三：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后, 在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)電容值0.025的電容， 啟動(dòng)開關(guān)C，結(jié)果顯示如圖5-3所示:圖5-3 仿真測(cè)試圖3讀數(shù)：26*0.001=0.026誤差計(jì)算：，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(gè)數(shù)值的測(cè)量，可以得出此數(shù)字電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是正確的，可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量出一個(gè)待測(cè)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(cè)電容，打開對(duì)應(yīng)的開關(guān)以后，經(jīng)過簡(jiǎn)單的換算就

15、可以得到電容的大小值，方便在以后的實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容的使用。6.2 收獲與體會(huì)通過兩周的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)數(shù)字電路知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，包括對(duì)一些元器件的功能和使用法有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，以前的學(xué)習(xí)主要在于原理方面，對(duì)器件單一的認(rèn)知，缺少模塊化的思想，而這次課程設(shè)計(jì)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(shí)的運(yùn)用，在實(shí)踐中加深了對(duì)知識(shí)的理解。在這次課程設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，但更重要的時(shí)發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中思考不足動(dòng)手不足的問題，在今后的學(xué)習(xí)中，我一定會(huì)針對(duì)這些問題改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。 從抽到課程設(shè)計(jì)的任務(wù)

16、到在軟件中實(shí)現(xiàn)其功能，再到報(bào)告的撰寫，這兩周的時(shí)間對(duì)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(shí)應(yīng)用到生活實(shí)際中去。以前學(xué)習(xí)總感覺知識(shí)與實(shí)際脫離的太遠(yuǎn)，學(xué)得再好，過不了多長時(shí)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(jì)，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(huì)到了知識(shí)的魅力，實(shí)踐的樂趣。在設(shè)計(jì)過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計(jì)及單位顯示電路的設(shè)計(jì)是值得注意的。74LS160對(duì)計(jì)數(shù)脈沖有一定的要求，同時(shí)多諧振蕩器的頻率也會(huì)影響測(cè)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(jì)量程時(shí)，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(jì)的。當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中并非只遇到這幾個(gè)問題。我們可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)問題而在電腦前調(diào)試好幾個(gè)小時(shí)。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(huì)到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學(xué)到知識(shí)，開拓思維，提高動(dòng)手能力。在我看來，拼裝出這個(gè)電路是其次，因?yàn)樵诰W(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個(gè)電路。重要的是培養(yǎng)自己的設(shè)計(jì)