數(shù)字電容測試儀

1、目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 課程設計的目的1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 課程設計的任務與要求1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 設計方案與論證2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 方案的選擇與可行性分析2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 方案論證3 HYPERLINK l bookmark10 o Curre

2、nt Document 單元電路的設計與分析4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 555定時器組成的多諧振蕩器4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 555定時器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 74LS160構成的計數(shù)器9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 譯碼器和數(shù)碼管構成顯示電路10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Doc

3、ument 電路的安裝調試與仿真10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 電路的安裝調試10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 結論1.3 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 總結13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 收獲與體會14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 參考文獻1.6 HYPERLINK l bookmark52 o Current D

4、ocument 附錄1：總體電路原理圖17 課程設計的目的（1）掌握簡易數(shù)字式電容測試儀的設計、組裝與調試方法；（2）熟悉相應的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理；（3）學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設計的基本方法、設計步驟；（4）進一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應用；（5）學習數(shù)字電路仿真、調試、測試、故障查找和排除的方法、技巧；（6）培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。課程設計的任務與要求1、查閱相關資料；進行總體方案設計，得到原理框圖；2、要求：技術指標（1）電容測量范圍：1000p10“F,輸出應能直接顯示其值，誤差W5%，電源電壓選擇+

5、12V。（2）量程可切換，顯示值能夠標定。（3）能完成指標要求的電容量測試和誤差要求。3、選擇合適器件，進行最終電路圖的仿真；進行仿真實驗4、要求三位同學實現(xiàn)不同分工。設計方案與論證方案的選擇與可行性分析數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的大小，從而判斷電容器質量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標設計，它的設計要點可分為倆部分：一部分是數(shù)碼管顯示，另一部分就是要將Cx值進行轉換。能滿足上述設計功能的方案很多，我們共總結出下面三種參考方案。方案一：用阻抗法測R、L、C有兩種實現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電壓；用恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所

6、以它們適用的測量范圍很窄。方案二：應用基本思想：把較難測量的物理量轉變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)后再運算求出C的值，并送出顯示，轉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?？衫脭?shù)字頻率計的知識，頻率的測量可用計數(shù)器計數(shù)來實現(xiàn)，通過計算參數(shù)使待測電容與計數(shù)值滿足某一函數(shù)關系，通過這個函數(shù)關系可表示出待測電容的大小。而測脈沖寬度法事實上與測頻率法相同，脈沖作為門控信號，與時鐘脈沖發(fā)生器產生的固定頻率相“與”，待測電容容量越大，脈沖寬度越寬，則相“與”后產生的計數(shù)脈沖越多，

7、再按照測頻率法的方法就可以測量出待測電容的容量。其實，這種轉換就是把模擬量轉換成數(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現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。綜上所述，本課程設計選擇方案三來實現(xiàn)測量電容的容值。方案論證設計思路:本設計是基于555定時器，連接構成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測量的電容Cx。其脈沖輸入信號是555定時器構成的多諧振蕩器所產生。信號的頻率可以根據(jù)所選的電阻，電容的參數(shù)而調節(jié)。這樣便可以定量的確定被測電容的容值范圍。因為單穩(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

8、脈寬即是對應的電容值，其精確度可以達到0.1%。然后把此脈沖作閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù)，經過譯碼器，然后再送給顯示器顯示，這個時侯，如果標準頻率脈沖的頻率等參數(shù)調得合適的話，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是Cx的大小。設計的總體框圖如圖3-1所示。多諧振蕩器計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器i自動調零定時電路徴分電路外接電容圖3-1設計的總體框圖單元電路的設計與分析555定時器組成的多諧振蕩器由555定時器組成的多諧振蕩器如圖4-1所示，它既為下一級的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計數(shù)器開始計數(shù)提供信號脈沖。vcc12VR10.01肯VCCRSTOUTDIST

9、HRTRICONGNDJ8U1iLM555CM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暫穩(wěn)態(tài)。假設當電源接通后，1電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C2上的電壓UC略低于-V,Uo輸出高電3cc平，電源VCC通過Rl、R2給電容C2充電。隨著充電的進行UC逐漸增-2高，但只要-VU-V_n對電容C進行充電，當電容C上的電壓c3CC時，輸出uo=0。與此同時電容C迅速放完電，代Q0，叮0不變。2觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)當Ui由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，此時Uc0，輸出Uo由低電平跳躍到高電平。此時，電源VCC經R3對C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間內輸入電壓ui回到高電平。3自動返回穩(wěn)定狀態(tài)u2V隨著

10、C的充電，電容C上的電壓Uc逐漸增大。當Uc上升到c3CC時，輸出Uo由高電平跳躍到低電平。與此同時，C迅速放完電，Uc0。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)維持的時間(及占空比)，0-V它實際上為電容C上的電壓由uc0V充到3CC所需的時間，可用下式估算:t二RCln3u1.1RC(4-4)w式中R和C為外接電阻和電容。多量程選擇電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的外接電阻R設計了三種，分別對應不同的分辨率和量程，這是為了增加測量的精確程度，降低相對誤差，量程10-lOOuF只需閉合開關A，讀出晶體管讀數(shù)，然后乘以分辨率，即可得到對應待測電容的大小，其他兩個量程也是相同的道理，必須相應開關

11、，讀出讀數(shù)然后乘以分辨率，加上單位uF/原理分析當被測電容Cx接到電路中之后，電源電壓Vcc經微分電路C1、R1和反向器，送給555定時器的低電平觸發(fā)端2一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)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時鐘脈沖信號通過，送入計數(shù)器計數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=l.lRCx.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，停止計數(shù)?？梢?，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，可以達到測量電容的要求。根據(jù)設計要求和Tx=l.lRCx可求得R=1.8K.微分電路可取經驗數(shù)值,取R1=1K,R2

12、=10K,c1=lF。74LS160構成的計數(shù)器計數(shù)器主要用來對時鐘進行計數(shù)并送入顯示電路顯示。計數(shù)器選用74LS160進行設計較簡便。74LS160是集成同步十進制計數(shù)器,該計數(shù)器具有同步預置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進位信號輸出端,可串接計數(shù)使用。由三個74LS160構成的計數(shù)器電路如圖4-4所示：圖4-4計數(shù)電路譯碼器和數(shù)碼管構成顯示電路74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅動器，74LS47的功能用于將BCD碼轉化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，由三個74LS47譯碼器和三個數(shù)碼管構成的顯示電路如圖4-5所示：圖4-5譯碼顯示電路圖電路的安

13、裝調試與仿真電路的安裝調試查閱資料，了解數(shù)字電容測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個單獨的模塊。通過查閱集成塊的參考書，了解各個模塊中的集成塊的構造就作用，對集成塊的使用方法已經集成塊的輸入輸出端以及集成塊的進制有一定得了解。通過網絡，下載仿真軟件，通過網絡教程對軟件的使用方法進行學習，初步學會通過該軟件設計電路圖。根據(jù)整體電路的要求，設計出各個部分模塊的電路，通過示波器的檢查，確保各個模塊正常工作。把設計好的各個模塊組裝成整體的電路，并且根據(jù)設計指標進行調試，知道出現(xiàn)預期結果為止。電路的仿真仿真測量實驗一：當電路參數(shù)調試符合要求后,在待測電容處連接一個假設電容值為4

14、6卩F的電容，啟動開關A,結果顯示如圖5-1:U1Avri:c:wTKT工THT二三|j12kOLH2AvfriO.IDOufAjH-1；Sp.fri_1QufA骨廉機_1izzf/18.83knKey=/S3A分潯半OJJM11L1883kQKfiV=A11tnR41klR51OkQU11Ao74LS08DMLSQWDIFIM74LS34DLM555CMLM55CMlJAJr74LStC0D1.LJ13A74LSU40AWCeGUhavftKMPJI?t:wr11：*U-UftAD74LS160D74LS160DC3C4O.OfpF-LOAD-hubC2豐詢命:U474LS47D!:xtuI

15、ar:emi*ip3l=l11883QKwA昭柑110ufA一一j18.83knKey=AS3A分請*0-001辛IZZI-L18&3kQKe=AVCCOl2VXU13A74LS04DVCCl2V占ooooor741_S4?D7JLS1S0D74LS160D74LS16QDU11Ao74LS08DLH/R41klLM555CMJR1fi.Gkf12klC2豐C4=o.ofpr:MFD圖5-2仿真測試圖2讀數(shù)：21*0.1=2.1卩F21一2誤差計算：丄xlOO%二5%，符合誤差在5%之內的要求。2仿真測量實驗三：當電路參數(shù)調試符合要求后,在待測電容處連接一個假設電容值0.025pF的電容，啟動

16、開關C,結果顯示如圖5-3所示:741504D圖5-3仿真測試圖3分湧MCZJ1883Q分濟gtZZ318.83kn分i#to_ooiCZI1883kQUijooonoooU315：!8.$470741S47O.MfiHO-IOOufA讀數(shù)：26*0.001=0.026rF誤差計算：雹02笄X1%二4%，符合誤差在5%之內的要求。結論6.1總結通過上面兩個數(shù)值的測量，可以得出此數(shù)字電容測試儀的設計是正確的，可以比較準確的測量出一個待測電容的電容值，并且能夠將誤差控制在很小的范圍內。只要接入被測電容，打開對應的開關以后，經過簡單的換算就可以得到電容的大小值，方便在以后的實驗中對電容的使用。收獲與

17、體會通過兩周的課程設計，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識，以前的學習主要在于原理方面，對器件單一的認知，缺少模塊化的思想，而這次課程設計正好彌補了以前學習的不足，讓我們更加注重于知識的運用，在實踐中加深了對知識的理解。在這次課程設計中，令我感觸最深的就是幾位同學團結合作，一起把所學的理論知識變?yōu)楝F(xiàn)實生活中的應用。在實踐中獲取了不少知識，但更重要的時發(fā)現(xiàn)了自己在學習中思考不足動手不足的問題，在今后的學習中，我一定會針對這些問題改進學習方法，提高動手實踐能力。從抽到課程設計的任務到在軟件中實現(xiàn)其功能，再到報告的撰寫，這兩周的時間對我們來說是受益匪淺

18、的。這是一次理論與實際相結合的過程，在這一過程中，我們終于能將所學的知識應用到生活實際中去。以前學習總感覺知識與實際脫離的太遠，學得再好，過不了多長時間就全忘了，到頭來學了也不知道有什么用，學了也沒用到實處去。而這次課程設計，雖然我們只是在軟件上實現(xiàn)其功能，而沒有做出實物，但這也讓我們充分體會到了知識的魅力，實踐的樂趣。在設計過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設計及單位顯示電路的設計是值得注意的。74LS160對計數(shù)脈沖有一定的要求，同時多諧振蕩器的頻率也會影響測量精度。所以多諧振蕩器的電容電阻值的選擇有一定的講究。在設計量程時，我是通過改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來設計的。當然，在整個設計過程中并非只遇到這幾個問題。我們可能會因為一個問題而在電腦前調試好幾個小時。但這發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程就是我們學習的過程。只有這樣，我們才能體會到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學到知識，開拓思維，提高動手能力。在我看來拼裝出這個電路是其次，因為在網上，資料書上很有可能就有這個電路。重要的是培養(yǎng)自己的設計、創(chuàng)新能力，解決問題的能力。在這兩周期間，同學們相互討論，相互交流，相互學習，