简易数字电容表方案设计书杨辉

1、西南大学工程技术学院课程设计(论文)电子技术课程设计题目: 简易数字电容表设计 学生姓名 杨辉 专 业 自动化（工程方向） 学 号_ 222009322072057 班 级 2009级 1 班 指导教师 黄华 成 绩_ 工程技术学院2011年 12月目 录摘要 31 设计目的32 设计要求33 仪器与器件44 方案论证 52.1 方案一 52.2 方案二 82.3 最终方案 105 原器件选择 106 单元电路设计 157 仿真调试结果 178 实物系统调试与测试 209 设计总结 2110 收获与体会21附录 22参考文献 22简易数字电容表的设计与制作杨辉西南大学工程技术学院，重庆 400

2、715摘要 下面所设计的是一种精度较高，操作简便的电容测量仪。此电容表设计是基于待测脉冲TW与待测电容C成正比用于控制清零和显示，标准脉冲用于计数并送锁存-译码-显示系统就可以得到电容量的数据。一、设计目的1、运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途和一定工程意义的电子装置。2、深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。3、训练培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。二、设计要求（1）利用给定的元器件设计一个能测量并显示电容容值大小的数字电容表；（2）用3位数

3、码管显示；（3）测量范围100pFpF，误差小于10% 。（4）在计算机上用仿真软件仿真优化。（5）在万能板(孔孔板)上安装、调试。（6）写出设计总结报告。 三、仪器与器件1 仪器（1）直流稳压电源 1台（2）示波器 1台（3）万用表 1台（4）计算机 1台2 可选择的器件1) MC14553 (或4518) 计数 1块（或3块）2) CD4511 译码 1块3) LED 3块4) 四2输入与非门CD4093 1块5) NE555定时器(或NE556) 2块(或1块)6) 二极管、三极管 若干7) 电位器、电阻器、电容器 若干四、方案论证方案一：本方案可分为三大部分：产生脉冲部分；：计数部分；

4、：显示部分；整体框图：产生脉冲部分使用两片NE555产生标准脉冲和待测脉冲,根据参考NE555的资料说明设计了如下图的电路：1、 标准脉冲产生电路图：相应产生标准脉冲图像：注：电压调档为5V，扫描周期1ms。2、待测脉冲产生电路图：相应产生待测脉冲图像：注：电压调档为5V，扫描周期1ms。：计数部分计数部分选用三片CD4518来实现计数功能。同时还需要考虑对MR清零处理，这也是部分的关键之一。根据参考CD4518的资料说明以及查阅相关图书电路设计了如右图的电路用来实现计数功能：设计对MR的清零处理时花费较长的时间，实现清零最终目的其实就是要在一个待测周期开始计数前产生一个短时间的高电平来实现清

5、零，然后一直为低电位直到下一个周期脉冲开始为止的脉冲输入信号。如下图： 为了实现上图所示的脉冲信号，我们采用了RC微分电路来实现，即将待测脉冲信号通过RC微分电路后即可形成。具体电路及清零脉冲输出波形如下：注：电压调档为5V，扫描周期1ms。：显示部分显示部分我们采用了三片CD4511分别驱动三个七段数码管，这样做的优点就是数码管不存在分时点亮的问题，缺点是实际线路变得比较复杂。与此同时，还有一个非常重要的难题就是控制如何控制LED的显示。我们通过查阅阅读相关资料，总结出只要控制CD4511的LE端的输入脉冲可以解决这个问题。这个脉冲信号的图像如下：接下来就要考虑如何产生这个脉冲信号，我们用的

6、是RC微分电路结合CD4093与非门来实现。具体分析是：将待测脉冲输入信号通过一个与非门的两个输入端，相当于通过了一个非门，这样实现了高低电位的反转。之后将通过非门后的脉冲信号接入到RC微分电路中，获得上升沿脉冲，最后将其接到另一个与非门中就得到了需要的脉冲信号。具体电路图如下：相应产生脉冲信号波形如下：完成了以上三部分的设计，方案一就基本成型。方案二：本方案也可分为三大部分：产生脉冲部分；：计数部分；：显示部分；：产生脉冲部分采用集成度相对较高点的NE556,NE556实质上是两片NE555的集合，因此，在原理上并没有太多差异，只是接口标号不同而已。这里就不再赘言。：计数部分：计数部分采用一

7、片MC14553来完成。区别于用CD4511，MC14553使用更加方便，功能也有所增加。不过，想要实现对MR的清零处理也要相应的改变。具体电路图如下：显示部分为了配合MC14553，我们采用了一片CD4511和三个七段数码管以及MC14553的三个数码管点亮使能位集合起来来完成。这种方法最显著的特点就是数码管的分时点亮，需要考虑点亮时间间隔，以保证人眼能准确读取数值。具体电路图如下以上就是方案二。最终方案：经过本小组长时间的讨论，反复实践检验，我们最终选择第一种方案作为最终方案。理由有如下几点：（一）：方案一相对于方案二虽然结构较复杂，元器件使用比较多。但实现起来方便，也便于控制调整。（二）

8、：对于二个核心问题：1、MR清零；2、LE显示；我们发现用第一套方案能较为简单快速实现，这也是选择这套方案的主要原因。（三）：对于数码管显示而言，第二套方案种的分时点亮还存在点亮间隔过程导致读书不完整的结果。而第一套方案数码管是一直点亮，不存在这样的问题。五、元器件的选择1.555定时器引脚功能：555电路的内部电路方框图如图所示。它含有两个电压比较器，一个是基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。它们分别是高电平比较器C1的同向输入端和低电平比较器C2的反向输入端的参考电平为2/3 Vcc和1/3Vcc。C1与C2的输入端控制RS触发器状态和放电

9、管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD是复位端（4脚），当RD=0，555输出低电平。平时RD端开路或接Vcc。Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3 Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。TD为放电管，当TD导通时，将

10、给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发产生器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲或波形变换电路。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS

11、触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为0电平。555定时器外引脚排列图2.CD4518引脚图和功能:CD4518，该IC是一种同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915。该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚14脚）。CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触

12、发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。另外，该CD4518无进位功能的引脚电路在第十个脉冲作用下，会自动复位，同时，第6脚或第14脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。3.CD4511引脚图和功能图：显示译码器CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显

13、示器。CD4511引脚图 CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。锁存功能：译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。译码：CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。消隐：BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。4.CD4

14、093引脚图和功能： CD4093是CD系列数字集成电路中的一个型号，采用CMOS工艺制造。CD4093 4与非门施密特触发器由4个施密特触发器构成。每个触发器有一个2输入与非门。当正极性或负极性信号输入时，触发器在不同的点翻转。正极性(VP)和负极刑(VN)电压的不同之处由迟滞电压(VH)确定。5.共阴极LED数码管半导体数码管BS201的的每个线段都是一个发光二极管（LED）。因此，也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同，半导体中的杂质浓度很高。当外加正电压时，大量的电子和空穴在扩散的过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的

15、形式释放出来，便发出一定可见光。六、单元电路设计1.脉冲发生电路设计课程设计提供了两种可以产生脉冲的芯片：NE555和NE556。其实质是一样的。在NE555或NE556的产品说明中已经为我们提供了几种能产生脉冲的电路。我们也就只需要参照其来进行验证即可。并且也提供了详细的公式为我们调整脉冲参数带来很大的方便。我们最终采用两片NE555，其中一个用来产生标志脉冲，另一个则参数待测电容的脉冲。具体电路图如下：2.电容计数电路设计：电容计数选用三片CD4518来完成。同时还需要考虑对MR清零处理，这是设计的核心之一。根据参考相关的资料说明以及查阅相关图书电路设计了如右图的电路用来实现计数功能：3.

16、 显示电路设计为了能以十进制数码直观地显示数字 系统的运行数据，目前广泛使用了七字符显示器，或称做七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。4.相关参数计算1、矩形脉冲相关计算（参数按下图）：计算高电位时间公式：t1=0.693(R1+R2)C1;计算低电位时间公式：t2=0.693R2C1;计数脉冲周期公式：T=t1+t2；七、仿真调试结果第一档

17、位（1009999皮法）：读写需乘以10测试电容为10000pf测试电容为100pf测试电容为8500pf第二档位（1000099999皮法）：读写需乘以100测试电容为30000pf测试电容为75000pf八、实物系统调试与测试1.检查线路在细心安装焊接好电路完毕后，我们首应该检查线路接线是否正确，用万用表一次检查电路是否存在虚焊、漏焊以及短路等情况。2.通电检测将焊接完电路的最终输入输出端分别接上5V电压，检查数码管是否能够正常显示数字，手摸各元器件看是否发烫，如果出现异常，立即关掉电源，待故障排除后才可以重新通电。然后再测量各个单元电路，各元器件电压，以保证元器件能正常工作，看最终是否能

18、达到预期要求的效果。3.单元调试先检查开关量程选择和电容检测电路，看所提供的电压是否为工作电压，用万用表测量一下，看各元器件是否得电，检测555定时器构成的多谐振荡电路，看其是否能为计数器提供正弦波。用示波器观察单稳电路部分的输出是否得到理论波形。4.总体测试先接通电源，先Cx不接电容，看数码管是否显示最大数值，然后把Cx之间的导线短接，看数码显示是否为0。本电路采用逐步调试的方法。在调试之前，对照原理图，检查装置中的各个元件和它们相互的连接关系是否正确，并确保装置中无漏焊或虚焊等错误现象。5.调试过程总结 （1）当整体电路焊接完成并检查无误，插好各块芯片后，接通电源发现无任何反应。首先检查各个芯片是否正常供电，发现4093与NE556并未得电，于是再次检查芯片的电源与接地端是否接触良好。找出断路处重新焊接牢固。（2）实物焊接后发现数码管的显示与个十百位不相符，仔细对照仿真无误后，判定为MC14553分时输出信号脚的顺序错误，正确对应后即正常显示。 6.测试结果分析第一档位（1009999皮法）：测试470皮法，显示480皮法，误差为2% 测试3300皮法，显示3630皮法，误差为10%第二档位（1000099999皮法）：测试10000皮法，显示112皮法，误差12%测试47000皮法，显示450皮法，误差20%结果分析：第一档位误差控制在10%以内，而第二档位误差控制在3