最新電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、 TOC o 1-5 h z 目 錄 1、設(shè)計(jì)指標(biāo)42、設(shè)計(jì)原理 4設(shè)計(jì)原理框圖 4.設(shè)計(jì)方案 4模塊介紹 5控制電路 5時(shí)鐘脈沖發(fā)生器 5.計(jì)數(shù)器和顯示器 7. HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 3、單元電路的設(shè)計(jì) 7.多諧振蕩器 7單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 9整流電路采用直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路 1.0直流穩(wěn)壓電源的原理框圖分析 1.03.3.3直流穩(wěn)壓電源特點(diǎn) 11 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 4、設(shè)計(jì)制作過(guò)程及整體電路圖 11設(shè)計(jì)制作過(guò)程 11整體電路圖 1.2.5、芯片介紹 1.2.555 芯片功能

2、介紹 1.2.74LS192 芯片介紹 1.4.總結(jié) 1.5.致謝 1.6.參考文獻(xiàn) 1.7.1、設(shè)計(jì)指標(biāo)1.1設(shè)計(jì)目的掌握數(shù)字電容測(cè)試儀的構(gòu)成、原理和設(shè)計(jì)方法。掌握集成電路的使用方法。1.2基本要求電容測(cè)量范圍為1000pF10uF，輸出應(yīng)能直接顯示其值，誤差W 5%,電源 電壓為+5V。量程可切換，顯示值能夠標(biāo)定。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(jiàn)并寫(xiě)出合格的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，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

3、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2.3.1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：vccCx300nFC2 1OnF5&5 TUVIEIR RATED wens 1RSTDOTHMR1 fc

4、 OBTD4GO0BCL 5V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(kāi)關(guān)S,電源電壓Vcc經(jīng)微分電路C1、Ri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?。該高電平控制與門(mén)使時(shí)鐘脈沖 信號(hào)通過(guò)，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為T(mén)x=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(mén)，停止計(jì)數(shù)?？梢?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，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1OOOpF10uF,且測(cè)

5、量的時(shí)間小于2s，即Tx2s， 也就是Cx最大(10uF)時(shí)，Tx2s，根據(jù)Tx=1.1RCx可求得：RTx/(1.1Cx)=2/(1.1 X 10X 10-6 )歐=181.8 千歐取 R3=180K。微分電路可取 R1=1K，R2=10K，C1 =l F。2.3.2時(shí)鐘脈沖發(fā)生器這里選用由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:T=tp1+tp2 0.7(R2+Ri)C3其中tp1 0.7(R2+Ri)C2 ,tp2 0.7Ri C2占空比為：q=tp1/T= (R2+R1) /(R2+2Ri)因?yàn)闀r(shí)鐘周期T 0.7(R2+Ri)是在忽略了

6、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 F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10uF。又因?yàn)橐驝x =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：T tp1 tp2 2ms。如果選擇占空比q=0.6,即q=切=0.6T由此可求得：tp10.6T0.6 2ms1.2mstp2T tp1(2 1.2)ms0.8ms取 C2=0.1 f，貝R4 =11.43K0.7C2tp1521 521R3=-R4 100% 0% 20% 5.713k.0.7C2521取標(biāo)稱(chēng)值：R3=5.6K, R4=

7、12K.最后還要根據(jù)所選電阻 R3、R4的阻值，校算流過(guò) R3、R4的最小電流是否大于210uA。從圖可以看出，當(dāng)C2上電壓Uc達(dá)到-V時(shí)，流過(guò)R3、R4的電流最小，為：3VCC -VCCIm in =3 95uAR3 R4振蕩周期：T 0.7( R3 2R4)C-2.07ms可見(jiàn)所選元件基本滿足設(shè)計(jì)要求，為了調(diào)整振蕩周期，R3可選用5.6K的電位器。2.3.3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)二一一十進(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

8、電路圖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(kāi)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1電壓UC略低于-Ucc , Uo輸出高電平，V1截止，D1導(dǎo)通，D2截止，電源Ucc通過(guò)3 TOC o 1-5 h z 12R1、R2給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行Uc逐漸增高，但只要-Ucc Uc -Ucc，輸33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(guò)-Ucc時(shí)（即U6和U2均大于等于-Ucc時(shí)），R

9、S觸發(fā)器置0,使輸出電壓Uo從33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)電容 C通過(guò)D2、R2和V1放電。隨著電容C放電，Uc下降，但只要2Ucc Uc 1Ucc， Uo就一直保持低電平33不變，這就是第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng) Uc下降到略微低于1Ucc時(shí)，RS觸發(fā)器置1,電路輸3出又變?yōu)閁o=1，V1截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述過(guò)程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。其振蕩周期為：T Rw1 2Rw2C1I n2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)

10、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。VCC磚匚30011F400flBCL_5V圖7單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2 -VvV- ioknLR3SieokQw5S5 TMER RATED 1k0Cl 1uF2、充電過(guò)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(kāi)始有電源 Vcc經(jīng)電阻R1

11、2對(duì)電容C充電，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng) -Ucc Uc -Ucc時(shí)，處于中間保持狀態(tài)，33仍有輸出uo=1，這個(gè)充電過(guò)程為電路的暫態(tài)過(guò)程。3、放電過(guò)程2當(dāng)電容C的電位uc由于充電而不斷上升，趨勢(shì)是Us=Vcc,但當(dāng)uc剛剛略大于2Ucc3時(shí)，此時(shí)由于2腳的負(fù)尖脈沖早已過(guò)去，故R=0, S=1,進(jìn)而有Q=0,此時(shí)輸出應(yīng)為uo=0, 三極管VT導(dǎo)通，電容上充的電將通過(guò) 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(guò)程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過(guò)飽和導(dǎo)通的三極管 VT放電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電容 放電完畢，恢復(fù)過(guò)程結(jié)束，恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后，電路返回穩(wěn)定狀態(tài)

12、，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)331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(guò)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)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)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(guò)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，

13、供給負(fù)載。3.3.2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(lèi)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(guò)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(guò)大或者輸出短路 時(shí)，調(diào)整管會(huì)因電流過(guò)大或電壓過(guò)高使管耗過(guò)大而損壞， 所以須對(duì)調(diào)整管采取保護(hù)措施 333直流穩(wěn)壓電

14、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

15、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(guò)程及整體電路圖4.1設(shè)計(jì)制作過(guò)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(guò)查閱集成塊的參考書(shū)，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。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，下載EWB(Electronics Workbench)軟件，通過(guò)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(guò)該軟件設(shè)計(jì)電路圖。 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(guò)示波器的檢查，確保 各個(gè)模塊正常工作。把設(shè)計(jì)好

16、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(guò)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、

17、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 （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，貝U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

18、入一只0.01卩電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。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)5kQ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

19、 C1、C2的輸出端控制。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)基電路的功能表綸入輸出馳發(fā)端THTHout iq-*1)0XX01o貰011賞1i iv34v-74LS192芯片介紹74LS192的引腳功能LD :異步置數(shù)控制端CR :異步置0控制端CPu:加計(jì)數(shù)控制端CPD :減計(jì)數(shù)控制器DoD3：并行數(shù)據(jù)輸入端QoQ3：輸出端74LS192的功能表表2.74LS192的功能表輸入輸出備注CR LD CPuCPdD3 D2 D1 DoQ3 Q2 Q1 Q1XXXXXXX0 0 0

20、0異步清零00 xxd3d2dd3 d2 d1 d0異步置數(shù)01f1XX XX加法計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)011fxx xx減法計(jì)數(shù)0111xx xx保持總結(jié)在設(shè)計(jì)的最初階段，由于通過(guò)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(guò)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(wèn)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(shū)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：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)。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(wèn)題，除 了請(qǐng)教老師和同學(xué)外，還可以