數(shù)字式電容測量儀

1、北 華 航 天 工 業(yè) 學(xué) 院電子技術(shù)課程設(shè)計報告報告題目： 數(shù)字式電容測量儀 作者所在系部：電子工程系作者所在專業(yè)：電子信息工程 作者所在班級：作 者 姓 名 ：作 者 學(xué) 號 ：指導(dǎo)教師姓名：完 成 時 間 ：課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱數(shù)字式電容測量儀的設(shè)計完成時間6.12指導(dǎo)教師職稱講師學(xué)生姓名班 級總體設(shè)計要求和技術(shù)要點設(shè)計一個數(shù)字式電容測量儀電路，要求如下：1能測量10F-990F范圍內(nèi)的電容量。2用兩只LED數(shù)碼管構(gòu)成數(shù)字顯示器。數(shù)碼管用來顯示后兩位，均用十進制數(shù)表示，即數(shù)字顯示器可顯示出的最大數(shù)字和最小數(shù)字分別為99和0。|3數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量CX的函數(shù)關(guān)系是 N=

2、Cx/(10F)4在正常工作條件下，測量電路接上CX后數(shù)字顯示器便可自動顯示出數(shù)字，即不需要測試者進行清零、啟動之類的操作，便可正常顯示。響應(yīng)時間Tx不超過2s，即接上CX后，在2s之內(nèi)，顯示器所顯示的數(shù)字N符合上述函數(shù)關(guān)系，其誤差的絕對值在給定器件的前提下盡量小。5、在正常測量范圍內(nèi),顯示數(shù)目應(yīng)當(dāng)清晰,但允許有所閃動。6若被測電容超過990uF，則數(shù)碼管呈全暗狀態(tài)，發(fā)光二極管呈亮狀態(tài)，表示超量程。7測量電路應(yīng)有被測電容器的兩個插孔，并標(biāo)上符號“+”和“-”。“+”端電位瞬時值不低于“-”端電位的瞬時值，而且它們之間的開路電壓瞬時值最大不超過5.5V。工作內(nèi)容及時間進度安排第15周：周1-周4

3、 立題論證方案設(shè)計周5預(yù)答辯第16周：周1-周3 仿真實驗周4-周5驗收答辯課程設(shè)計成果1與設(shè)計內(nèi)容對應(yīng)的軟件程序2課程設(shè)計報告書內(nèi) 容 摘 要電容在電子線路中有著廣泛的應(yīng)用，它的容值大小對電路性能有重要影響，本課題就是用數(shù)字顯示的方式對電容進行測量。利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖寬度TW與電容C成正比的特點，將被測電容C轉(zhuǎn)換為寬度為TW的脈沖然后將其作為閘門信號控制標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號的個數(shù)并送到鎖存譯碼顯示電路中則可得到電容值。當(dāng)被測電容值超出量程時數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二極管發(fā)光。關(guān)鍵字：測脈寬法 閘門信號 數(shù)顯 目 錄一、 概 述 1二、方案設(shè)計與論證1 測脈寬法1三、單元電路設(shè)計與分析21. 測量

4、電路設(shè)計.22. 計數(shù)電路設(shè)計.6 3顯示電路設(shè)計8四、總原理圖及元器件清單 11五、結(jié)論 11六、心得體會 11七、參考文獻 13一、概述通過用555定時器接成單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生閘門信號和多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號CP，閘門信號的脈寬T與被測電容CX充放電時間成正比。通過計數(shù)器計量閘門信號內(nèi)脈沖的個數(shù)N，送入74LS273鎖存器鎖存，后經(jīng)7448譯碼器譯碼后接兩只LED七段數(shù)碼管顯示輸入數(shù)值N。數(shù)值均用十倍表示，即顯示數(shù)值為實際值的1/10，顯示范圍為0到99。當(dāng)CX超過量程時，數(shù)碼管滅零變暗，同時二極管變亮報警，表示超出量程。二、方案設(shè)計與論證數(shù)字電容測量計設(shè)計主要包括測量電路，記數(shù)電路和顯示電路三部

5、分。測量電路的核心部分是555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。記數(shù)電路是由74LS160和74LS161構(gòu)成的計數(shù)器以及74LS273鎖存器構(gòu)成。顯示電路由譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成。能滿足上述設(shè)計功能可以實施的方案很多，本設(shè)計采用測脈寬法。測脈寬法測脈寬法的基本原理如圖1所示，利用記數(shù)控制電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在被測電容CX上的充放電規(guī)律，將電容容值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度TX，再與標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相與得到TX內(nèi)的脈沖數(shù)N，通過記數(shù)顯示就可以得到容值。圖1 測脈寬法的原理框圖本設(shè)計選擇用閘門信號來控制時鐘信號產(chǎn)生的CP脈沖個數(shù)，使其來反映被測電容Cx的數(shù)值。用測脈寬法得到的數(shù)值比較容易通過數(shù)碼管來顯示，可省去

6、數(shù)碼轉(zhuǎn)換而且誤差相對比較小。三.單元電路設(shè)計與分析1 測量電路圖2 測量電路圖2是由兩個555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器所構(gòu)成的電容測量電路，C3為被測電容，當(dāng)被測電容CX接入電路后，由于電容充放電效應(yīng)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會產(chǎn)生一個脈寬與被測電容大小成正比的閘門信號（如圖3中第三個信號），同時多諧振蕩器會產(chǎn)生脈沖信號CP（如圖3中第二個信號），閘門信號與脈沖信號CP同時經(jīng)過與門運算，得到一個新的脈沖信號（圖3中第一個信號），再將此信號送入計數(shù)器進行計數(shù)。圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時器接成，4端為異步清零端，當(dāng)置0時，無論輸入如何均輸出低電平，當(dāng)置1時，555定時器工作。2端

7、和6端為信號輸入端。8端接高電平，1端接地，5端接濾波電容再接地，3端為信號輸出端。7端為反相信號輸出端，C3為被測電容接于6端和地之間，這樣就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。當(dāng)接入被測電容時，通過被測電容C3充放電，使電壓在0到2/3VCC之間振蕩，最后脈沖由3端輸出。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓脈寬TX=RCXln31.1RCX這種電路產(chǎn)生的脈沖可以從幾微秒到數(shù)分鐘。當(dāng)R固定時，則TW為正比于電容。C越大，則Tw時間內(nèi)通過與門的時鐘脈沖就越多，則計數(shù)電路實現(xiàn)T與C正比。圖4 多諧振蕩器多諧振蕩器由555定時器接成。4端為異步清零端，當(dāng)置0時，無論輸入如何均輸出低電平，當(dāng)置1時，555定時器工作。2端和6端為

8、信號輸入端。8端接高電平，1端接地，5端外接控制電壓端，當(dāng)5端接控制電壓時，這個電壓就作為基準(zhǔn)電壓。3端為信號輸出端，7端為反相輸出端。2端和6端為輸入端。由于C2容值一定，所以產(chǎn)生的脈沖信號穩(wěn)定不變。 多諧振蕩器輸出電壓脈寬 T=(R1+2R2)Cln20.69(R1+2R2)C經(jīng)過與門后得到的信號滿足：RCxln3=N(R1+2R2)Cln2 令參考電容C=1uf 進過整理得 CX= N(R1+2R2)Cln2/Rln3 即當(dāng) (R1+2R2)Cln2/Rln3=1 時閘門信號內(nèi)單位脈沖數(shù)N×10就得到被測電容CX的容值。 設(shè)被測電容為100uf時仿真得圖3圖5 測量電路仿真圖2

9、.計數(shù)電路圖6 計數(shù)電路計數(shù)電路由74LS161計數(shù)器74LS160計數(shù)器和74LS273鎖存器構(gòu)成，兩片計數(shù)器通過置數(shù)法將兩片計數(shù)器連接成百進制計數(shù)器，計數(shù)范圍為0到99。時鐘信號由閘門信號和脈沖信號相與得到，當(dāng)計數(shù)達到99時，再經(jīng)過一個脈沖時鐘信號74LS161的輸出端Q3和Q1輸出1.兩片計數(shù)器輸出端接74LS273鎖存器輸入端，鎖存器時鐘信號由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號經(jīng)過反相得到，經(jīng)過反相器是為了使鎖存器在計數(shù)結(jié)束時開始鎖存。圖 7 計數(shù)器圖7是由74LS161十六進制計數(shù)器和74LS160十進制計數(shù)器構(gòu)成，74LS160計數(shù)器的EP和ET端接高電平，使之保持在工作狀態(tài)，時鐘信號由測量電路

10、輸出提供，其進位輸出端接到74LS161計數(shù)器的EP和EP端，使其在進位時讓計數(shù)器U3工作。兩片計數(shù)器的MR端和LOAD端均接測量電路的單穩(wěn)態(tài)輸出端，保證計數(shù)器在有效技術(shù)范圍內(nèi)計數(shù)。當(dāng)超出計數(shù)范圍時，Q3和Q1為1通過74LS08與門輸入到下一級電路。圖8 鎖存器計數(shù)電路中的鎖存功能由鎖存器74LS273完成，D0到D7端為數(shù)據(jù)輸入端，分別對應(yīng)接到計數(shù)器的輸出端。MR端為異步清零端，接高電位使其保持在工作狀態(tài)。時鐘信號由測量電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端經(jīng)過反相得到，使其在技術(shù)結(jié)束時進行鎖存。Q0到Q7端為輸出端，分別接到下一級顯示電路的譯碼器輸入端。3.顯示電路圖 9 顯示電路顯示電路主要包括譯

11、碼器7448和數(shù)碼管兩部分，計數(shù)電路的鎖存器輸出端分別接到譯碼器輸入端，譯碼器LT,RBI均接高電位使其保持工作狀態(tài)，QA到QG為譯碼器輸出端分別接到數(shù)碼管輸入端，同時Vcc接限流電阻接到輸入端。當(dāng)接入被測電阻電路工作時，計數(shù)器計數(shù)再通過鎖存器將計數(shù)結(jié)果送入7448譯碼器，譯碼器將相應(yīng)數(shù)值譯成高低電平送入數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)值。圖 10 驅(qū)動顯示電路圖10 為顯示驅(qū)動電路，A0到A3為輸入端，當(dāng)LI和RBI同時置高電位時譯碼器工作。Ya到Y(jié)g為輸出端，分別接數(shù)碼管各端驅(qū)動顯示。圖 11 超量程報警電路超量程報警電路由7474鎖存器和發(fā)光二極管構(gòu)成，7474鎖存器的RSD端均接高電位，時鐘信

12、號由計數(shù)電路的74LS161計數(shù)器的Q3Q1端經(jīng)過與門得到。5端6端分別為輸出端和反相輸出端，5端接到LED發(fā)光二極管，6端接7448譯碼器的工作狀態(tài)控制端RBO，當(dāng)被測電容超過范圍時，5端輸出高電平使LED發(fā)光，同時6端輸出低電平將兩片7448譯碼器RBO端置零，使之滅零變暗。表示被測電容超過量程。四、總原理圖及元器件清單1總原理圖元件序號l Quantity Description Reference_ID Package 1 1uF C1 0603 2 10nF C2,C3 0603 1 LED D11 30K R1 RES180 1 300 R2 RES180 1 3.84K R4 R

13、ES180 1 1K R5,R6, R17,R18 RES180 2 555 U1,U2 DIL08 1 74LS160 U4 DIL14 1 74LS273 U5 DIL20 1 74LS04 U6 DIL14 2 74LS08 U7 DIL14 2 74LS48 U9,U10 DIL16 1 74LS74 U13 DIL14 1 74LS161 U3 DIL162元器件清單五.結(jié)論當(dāng)被測電容接入電路后，在兩秒內(nèi)即可顯示相應(yīng)數(shù)值。當(dāng)電容的取值在10uf到990uf時，數(shù)碼管顯示的數(shù)值N是00到99中的一值，數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量CX的函數(shù)關(guān)系是 N=Cx/(10F)。當(dāng)被測電容值超出量程時數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二極管發(fā)光。六.課設(shè)體會通過兩周的課程設(shè)計，讓我對數(shù)字電路知識有了進一步的了解，包括對一些元器件的功能和使用法有了進一步的認(rèn)識，以前的學(xué)習(xí)主要在于原理方面，對器件單一的認(rèn)知，缺少模塊化的思想，而這次課程設(shè)計正好彌補了以前學(xué)習(xí)的不足，讓我們更加注重于