三位数字电容表

1、电子线路课程设计报告设计课题：三位数字电容表专业班级：新能源科学与工程学生姓名：指导教师：设计时间：2015.7.11-725常熟理工学院物理与电子工程学院题目三位数字电容表一、设计任务与要求1 .使用交流220v单相供电，经整流变压产生直流电，供给整个电路工作。2 .电容表测量范围1999nf,使用3位数码管显示。3 .电路设有启动按钮、复位按钮。按启动按钮后，电路开始测试，测试结束后, 显示待测电容值。按复位按钮，电路复位，显示值清零，准备下一次测试。参考原理框图图1 原理框图表小参考原理：采用间接法测量电容的容量。电容器的充电时间和其容量大小有关， 容量大的电容需要的充电时间长； 容量小

2、的电容需要的充电时间短。当选定固定 电阻后，充电时间就与电容容量大小成正比。 利用电容这一特性，将被测电容的 充电时间作为门控信号，将基准脉冲发生电路所提供的脉宽作为测量尺度， 在被 测电容充电时间的同时，将控制闸门打开，让计数与显示电路统计并显示输入计 数器脉冲的个数，电容充电结束的同时将控制闸门关闭， 计数器显示的脉冲个数 即为被测电容的容量。二、方案设计与论证1.因为电容器的充电时间和其容量大小有关， 所以可以将待测电容放入电路中， 通过测量电容充电时间来测量电容值， 用555定时器组成单稳态触发器，所以单 稳态的高电平持续时间就是电容充电时间。2,用555定时器组成多谐振荡器产生标准脉

3、冲， 作为单稳态发生电路所提供的 脉宽的测量标准测量尺度。3 .用计数器对一个脉宽时间内的脉冲个数计数，计数器显示的脉冲个数即为被 测电容的容量。4 .基本原理计算公式三、单元电路设计与参数计算1.使用交流220v单相供电，经整流变压产生直流电 5vu1二：；：二 i 而就skc4t二踹工i 与口:丁彻一 飞阖曲j1c20,1 mf图2 直流电5v2.555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器的工作原理：多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外 还含有丰富的高次谐波，故称作多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂 稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换

4、， 故又称它为无 稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1 （a）所示，r1, r2和c是外接定时元 件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并联后接到r2和c 的连接处，将放电端（7脚）接到r1, r2的连接处。由于接通电源瞬间，电容c来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于 （1/3）vcc ,故高电平触发端 与低电平触发端均为低电平，输出 uo为高电平，放 电管vt截止。这时，电源经r1, r2对电容c充电，使 电压uc按指数规律上升， 当uc上升到（2/3） vcc时，输出uo为低电平，放电管vt导通，把uc从（1/3） vcc上升到（2/3） vcc这段时间内

5、电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间tph的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数t充=0.7 (r+r) c。由于放电管vt导通，电容c通过电阻r2和放电管放电，电路进入第个暂稳 态，其维持时间tpl的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数t放=0.7r2c 随着c的放电，uc下降，当uc下降到(1/3) vcc时，输出uo为高电平，放电 管vt截止，vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接 通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在(1/32/3) vcc之间变化。图1 (b)所示为工作波形。15根据uc的波形图可以确

6、定振荡周期为t=tpl+tphtph对应充电时间tph=0.7(r1+r2 ctpl对应放电时间振荡周期振荡频率tpl=0.7r2c t=tpl+tph=0.7 f=1/t(r1+2r2 c图3 555多谐振荡器3.555定时器构成的单稳态触发器单稳态触发器的工作原理：单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在触发信号作 用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中rc延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出 端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw,就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

7、由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图 2所示。图中r, c为外接定 时元件，输人的触发信号ui接 在低电平触发端（2脚）稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于 稳定状态一一输出低电平。在 ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3） vcc,触发信号，输出uo为高电平，放电管vt截止，电路进入暂稳态，定时开 始。在暂稳态期间，电源+ vc-fhc一地，对电容充电，充电时间 t= 1.1rc, uc按指数规律上升。当电容两端电压 uc上升到（2/3） vcc后，6端为高电平， 输出uo变为低电平，放电管vt导通，定时电容c充电结束，即暂稳态结束。 电路恢

8、复到稳态uo为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来，又重复上述过程。 工作波形如图2 （b）所示。输出电压uo的脉宽tw=1.1rc。由于r的取值在几百欧至几兆欧之间，电容 取值在几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟， 精度可达0.1%。由图2 （b）可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入心的 触发脉冲（如图2 （b）中的虚线所示），则脉冲对电路不起作用，电路为不可重 复触发单稳触发器。(a)单稳态触发器工作电路(b)工作波形-1 +(* n s t2-t1qibnnd_btinechomd.a盘,5辑 e5,w0v214,015 ms5.w0v152,442 ms0

9、邛by高电平脉宽时间t=1.1*r1*c图4 555单稳态触发器4 .脉冲计数电路与数码显示计数部分选用三片74ls192十进制计数器来实现计数功能。同时还需要考虑 对mr青零处理，这也是部分的关键之一。根据参考74ls192的芯片资料说明，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。对于 mr勺清零处理，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data b input qboutputs inputsclear |borrow outputscarry jloaddata c inputsd

10、ata d2345678bqnaqaclearcount1514131211109downcount carrvupsrryqcloadqdcdij (top view)图5 74ls192 引脚分布图al a2 0 51 le a3 m gnd300x7t gltbl.三心vcc5.0vvccju- 74ls192d74l6192c74ls192du12auwa74lsdod t4lsoodt一 r1stqu1m：74u500p. 82_ld|i0 *-imy spwr-h = .舞ifcey = spacs图7脉冲计数与数码显示vccs.gv5 .待测电容计算公式设单稳态电路产生脉宽时间为

11、t=1.1*r1*cx多谐振荡器脉冲周期为t=0.7*(r5+2*r6)*c3单稳脉宽下的脉冲个数为 d待测电容的值为cx=d*10a(-6)1ri*d*ka(-6)所以可得下列等式：c1.1*r1*cxd 二二0.7*(r5 2*r6)*c3 0.7*(r5 2*r6)*c3所测的电容值,默认单位为uf四、总原理图及元器件清单1 .总原理图r占ggift:二图8 总原理图1.元件清单元件序号型号主要参数数量备注r19.1kq *2+910 q1r25.1kq*21r3电阻3k q1r451a1r8/r9/r10330 a21c1100nf1cf1电容1uf1cf210nf1u1/u2/u37

12、4ls1923u4/u5/u64511cd-5v3u7/u8/u9共阴极数码管3u10a/u12a/u13a74ls003五、安装与调试六、结论与心得本次的电子课程设计有一定的难度，虽然是两个人合作，但是困难还是重重。我们被分配到的任务是三位数字电容表。 老师第一节课大概讲了一下我们这个实验的思路， 刚开始真的无从下手， 通过查阅各种各样的资料了解需要的元器件的引脚功能，自己通过看视频学习 multisim 软件的使用方法，学习各种元器件的应用方法。设计电路是最难的部分，所以我们先一部分一部分的进行，先是555多谐振荡器，然后是555 单稳态触发器，计数器，最后是数码管。在软件上仿真的时候因为

13、数码管上多接了一个电阻， 所以导致高位的计数器没有示数。 仿真结果出来后， 为了减少误差， 我们又对多谐振荡器和单稳态触发器的电阻进行调整，尽量减小误差。前三天进行设计和仿真模拟，后两天进行实物连接与硬件调试。这也是我们第一次接触面包板， 以前都是通过焊接来实现电路。 用面包板最大的隐患就是可能会有虚接。 所以我们做每一部分的时候都特别小心， 井然有序， 尽量不自乱阵脚。 电路图与实物图之间还是有很大的差别的， 要提前想好如何在面包板上摆放元器件的位置， 尽量利用有限的面包板的空间， 尽量减少交叉线， 使整体看上去整齐一点。 通过对课程设计的原理图， 来确定需要的功能模块。 再根据对应模块，

14、来初步确定所需的器材。 然后查找各个芯片的功能和建议电容表的工作原理， 最终确定制作方案。 本次方案的实施是有序进行的， 我们小组通过对每个功能模块的讨论和研究， 尽量把每个功能模块都做好， 最后再将所有的功能模块整合在一起。 这个系统的设计思路还是很清晰的， 但是所需要的器件是比较多的， 这就需要我们对每个器件的功能要深入地了解。 就这样， 我们的仿真部分做得还算顺利。在具体的硬件制作过程中就出现了一些问题。所需的器件较多，带来的后果就是要连的线就多， 如果器件的摆放位置不合理， 就会使面包板的制作变得异常艰难。所以我们又进行了一番讨论最终定硬件安装方案。在连实物图的时候会出现各种各样的情况

15、， 这是就要充分利用身边现有的检验器件， 如万用表， 示波器。 一定要善于借助仪器帮助分析判断电路中所存在的问题， 如活用万能表， 欧姆档判断所有的高低电平是否共线， 芯片之间引脚连接是否有虚断等（在检测时可以用铅笔标出，方便下次查找） ，电压档的使用，都非常有用； 然后就是示波器， 分析动态电位信息， 但对于示波器自认为用的不是很上手； 函数发生器的使用等， 有这些仪器能让自己排除出许多可疑点， 最终还是能找到原因的。 （同时也一定要注意正确使用仪器）这样做可以为以后的连线扫除障碍。在这次的实验中， 也让我充分明白了团队合作的重要性。 自己的能力是有限的，要善于与别人合作， 发现别人身上的闪光点， 进而更加清楚的认识自己， 提升自己。在实验过程中，老师也给予了我们很多帮助，帮我们解决了很多困难。这次的实验让我得到了一次很深刻的锻炼， 从仿真不出效果到最终的出效果， 使己建立了信心；实物电路的波折不断，虚心探讨，主动请教，从无奈躁动、想放弃，到最后被迫熟悉仪器更多的使用， 最后帮助 2 组检查排除错