数字电容测试仪.doc

设计课题：数字式测容仪指导老师： 陈 坚 学 号： 09042217 专 业：电子信息工程姓 名： 周 辉 时间：2011年6月6日数字电容测量仪一、 摘要电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容值对电路的性能有重要的影响，本次课程设计就是用数字显示的方式对电容的容值进行精确的测量。本设计使用两个555定时器，其中一个555定时器作为时基电路，产生一个1000Hz的脉冲信号，通过两片74LS90进行脉冲扩展100倍，得到一个频率为10Hz的脉冲信号，作为时基信号，电容作为标准电容；另一个555定时器搭建成多谐振荡器，通过电容充放电产生固定周期的脉波，作为计数脉冲；将计数脉冲接到74LS90构成的4位计数器的低位的计数脉冲输入端进行计数，每个74LS90的四个输出端接到数码管进行显示，用置数法对74LS90赋初值；采用直流稳压为系统提供+5V电压。由于单稳态触发器的输出脉宽与电容C成正比，把电容C转换成宽度为的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器标准频率脉冲的个数，并送给锁存器，经过74LS47译码后，就可以用数码管显示电容的容值。二、 设计内容及要求（1） 设计一个能测量电容范围为1F100F之间的电容测量仪；（2） 用两个数码管显示；（3） 测量精度要求10。三、 器件选择555定时器2片集成芯片74LS904片集成芯片74LS001片集成芯片74LS1231片集成芯片74LS2731片译码管73LS472片LED数码管2个学生电源1个导线、电容若干四、 设计原理该电路采用电容比较的方法，以已知的标准电容来测量未知的待测电容，用还有标准电容的555定时器构建的多谐振荡器产生一个频率约为1000Hz的脉冲信号，利用74LS90的十进制计数功能，经过两片74LS90集成芯片对信号进行频率扩展100倍，得到频率为10Hz的脉冲信号；另外一个555定时器搭建的含有未知电容的多谐振荡器产生一个脉冲信号，高电平时间约为1s,低电平时间约为0.25s,将送到集成芯片74LS123，得到的长亮短灭的信号与开关与非一次送给集成芯片74LS90，将得到的长灭短亮的信号送给74LS273的CP端；将信号与经过一个与非门送给另外两片74LS90芯片，得到的信号经过触发器74LS273，最后用74LS47进行译码显示，得到的数字就是待测电容的容值。含有待测电容的多谐振荡器产生信号的周期为含有标准电容的多谐振荡器产生信号的周期为如输出有X个高电平，则有:即得只需为10的整数次幂，即=数码管显示的数字即为待测电容的容值。五、总体框架图待测电容计数器译码管脉冲形成电路清零计数显示电路控制电路时基电路总电路设计框图六、各单元电路设计及其原理6.1 555定时器组成的时基电路用555定时器构成的多谐振荡器如右图。多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于 ，Uo输出高电平，V1截止，电源通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要 ， 输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过 时(即U6和U2均大于等于 时)， RS触发器置 0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于 时，RS触发器置 1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。高电平时间：tPh 0.7(R1+R2)C低电平时间 : tPL 0.7R2C振荡周期: T=tPh+tPL 0.7(R1+2R2)C占空系数：D=tPh/ T= (R1+R2 )/(R1+2R2）当R2R1时，多谐振荡器波形图占空系数近似为50其工作波形下右图所示。C0 时基电路设计图时基电路有555定时器搭建的多谐振荡器和两片74LS90组成，多谐振荡器产生的信号为频率为1000Hz的脉冲信号，经过两片74LS90计数器后得到频率为10Hz的信号，作为基准信号频率。时基电路555振荡器产生的信号波形：经过两片74LS90计数器后的信号波形（信号扩展100倍）6.2 有待测电容的多谐振荡器的脉冲形成电路Cx 含有待测电容的脉冲形成电路有待测电容的多谐振荡器产生的信号波形6.3 锁存器的工作原理74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿触发。本实验它用于将来自前面74LS90芯片频率扩展的信号保存下来，并传输到74LS47芯片作为译码器的译码信号。74LS273功能表74LS273管脚图6.4 译码器的工作原理译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的阴极七段字形译码器。在74LS47七个输出端中， LT、RBI和BIRBO接高电平， OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG接入数码管。74LS47管脚图(1) ：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)：灭灯输入，控制多位数码显示的灭灯，=0时，不论和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，使共阴极数码管熄灭。 (3)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在=0作用下，使译码器输出全为低电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。 (4)：灭零输出，它和灭灯输入共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。七、电路总体设计图数字式电容测量仪总图八、组装调试过程整个实验在一个面包板上完成，首先按照要求挑选好所需要的器件，熟悉面包板的结构后，考虑好如何布局更省导线，更合理，将集成芯片安装到面包板上，按照总体电路设计图分步连接导线。1、 时基电路的调试按电路图连接好时基电路后，用实验箱观察555定时器的3脚输出时是频率为1000Hz的信号，人眼是看不出来的，当经过两片74LS90芯片后，在第二片相匹配的11脚可以看到频率约为10Hz的脉冲信号，调节电位器的阻值可以改变其频率。2、 脉冲形成电路的调试因为该电路的阻值很大，其产生信号频率f=1/T约为1s左右， 因此可以很清楚地看到指示灯的闪烁，灯亮时长1s，灯灭时长为0.25s左右。同样调节电位器可以输出信号的频率。3、 信号的检测判断除了以上两个信号的频率，我们还须检测74LS00芯片输出的信号频率，用指示灯来显示是闪亮闪亮的即是正确的信号，说明与非门工作正常。4、 实验结果待测电容显示容值10F1023F并联10F3368F并联10F74实验中存在一定的误差，并且待测电容的容值越大，电容充放电的时间就越长，数码管反映的时间越长。九、电路优缺点1、优点：a、电路简单b、结构简单明了c、器件易得，多用集成芯片都是很常见的d、该电路很适用于数字电路初学者学习，有助于提高学习兴趣和动手操作能力。2、缺点：a、显示精度不高，只有两位数码显示b、电路集成度低，整个电路用了近15个器件c、对于高容值电容的测量反映时间长，且精度不高d、不能显示电容的容值单位，只有两位数字显示。如有两个电容容值单位不同而数字相同，则不能区别其电容值。十、心得体会在陈坚老师的耐心帮助和指导下，我顺利地完成了此次课程设计课题数字式测容仪，通过此次动手设计，使我更进一步对数字电路产生了浓厚的兴趣，不仅对以前上课的理论知识有了进一步的了解掌握，还对课外的知识进行了拓展，也自己学习了电路仿真软件Multisim 10.0，通过对电路的仿真模拟直观地观察到各输出端口的输出信号，更加增强了我的兴趣。此次设计用时两天，两天里，我尝到了动手操作的极大乐趣，同时，也遇到了许多问题，一开始对这个电路的结构不是很清楚，对每个电路单元的功能、输出信号不明确，在实验过程中，通过不断的回想课堂和观察实验输出信号，逐渐掌握每个电路单元的功能，加上老师的讲解，一段时间后对整个电路的运行十分清楚。本次的课程设计使我学到了一些重要的东西：理论与实践是有差距的。大学里的课堂知识只是给我们灌输专业知识，我们会发现实际会做出成品来的少之又少，操作过程中会出现一系列的问题，因此，我们要把所学的理论知识运用到现在生活中，将理论与实践相结合，才能服务于社会。越是绝望就要越坚强。在操作过程中，我遇到过许多此解决不了的问题，找不出任何原因，而一味的去责怪器材不良，有时已经做好了的某单元电路，过一段时间来检测的时候有出问题了，多次产生放弃的心理。但理智有告诉我，淡定对待，重新再来，最后，我一次次突破难关，完成了最后的设计。这告诉我凡事应迎难而上，越是绝望就要越坚强。帮助别人就是帮助自己。旁边的同学问我他这个电路怎么得不到我这样的信号，我帮忙过去检查一下，用指示灯检测各关键管脚的信号，发现与我的电路信号有所不同，经过最后的验证，原来我们的信号都是错的。这不仅帮助