《电子技术》课程设计报告简易数字式电容测试仪

1、数字电子技术课程设计电子技术课程设计报告 题 目 简易数字式电容测试仪 学院（部） 电子与控制工程 专 业 电子科学与技术 班 级 3 学生姓名 学 号 12 月 14 日至 12 月 27 日 共 2 周 指导教师（签字） 前言 关于数字式简易电容测试仪的设计，我们提出了三种设计方法和思路。在具体操作中，经过对资料的收集、分析，研究与对比，最终选择了简单易懂，而且精度较高的方法，即门控法。本方法的基本理论是单稳态触发器电路的输出脉宽与电容c成正比，再通过一系列的控制，计数，锁存，显示电路实现了对电容的一般测试与数字显示。在本次数电课程设计的同时，我们参加了长安大学2009年电子设计大赛，对于

2、中大规模集成电路从认识到分析、再到整体框图设计、单元模块设计、最终到电路的模拟和实际电路的成形有了一定的认识，同时使我们在电子设计方面有了一定的实际动手能力，也为这次数电课程设计打下了坚实的基础。数字电子课程设计是电子计数综合应用的实践环节，同时也是增强学生实践与动手能力，这也是教学环节的实践部分之一。本文设计的简易数字式电容测试仪，既融合了电子技术的基础知识，又与生产实际结合紧密，能够满足实验教学需要和科研开发应用的需要，同时，电路简洁，条理清晰，便于沟通和交流学习，具有较强的通用性和实用性。在本次课程设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此特别向数子电子技术老师表示由衷的感谢。由于设计时间

3、和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！（注：参加本设计小组的搭档同学: 许晓飞）目录前言2报告正文4第一章：系统概述41.1 设计目的51.2 设计内容及要求51.3方案论证与可行性分析51.3.1设计方案方法选择与比较51.3.2 （方案一）回路阻抗法51.3.3 （方案二）谐振法61.3.3 （方案三）门控法61.3.4 可行性分析7第二章：单元电路设计与分析测试、验证72.1 振荡器设计72.2 脉冲形成电路设计92.3 复位负脉冲电路设计92.4 计数器模块设计102.5 锁存显示模块设计122.6 量程选择与单位显示132.7 重要原件说明15第三章：系统综述、总体电路图193.1

4、简易数字式电容测量仪的总体设计193.2电路的调试203.3 系统综述203.4 单元电路图及总体电路图203.5系统调试，功能，指标参数20第四章：结束语214.1 设计总结214.2 存在的问题214.3 收获与体会224.4 课设心得23第五章：附录235.1 元器件明细表235.2 参考文献245.3 所用软件245.4 鸣谢245.5总电路图2427 (共27页，9179字)简易数字式电容测试仪课题名称：简易数字式电容测试仪摘要：本文介绍了一种简易的数字式显示电容测试仪的设计思路及硬件结构。该测量仪的基本工作原理是：把电容量通过单稳态触发器转化成时间脉冲量，然后在这个时间脉冲内进行计

5、数，再锁存计数值，最终通过数码显示译码器驱动数码管进行显示。可由555集成定时器构成多谐振荡器产生计数脉冲和对单稳态进行触发，555构成的单稳态触发器电路来控制计数器清零与锁存器锁存，四片74ls160构成计数电路，四片74ls373n构成锁存电路，四片dcd_hex数码管构成四位译码显示电路，通过计算与分析把各电路连接起来，最终实现对电容（100pf100f）的简易测量与数字显示。关键字：电容、ne555定时器、清零、计数、时钟脉冲发生器、锁存、数码显示。 第一章：系统概述1.1 设计目的（1） 掌握简易数字式电容测试仪的设计、组装与调试方法；（2） 熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并

6、掌握其工作原理；（3） 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤；（4） 进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；（5） 学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧；（6） 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。1.2 设计内容及要求 （1） 设计数字式电容测试仪电路；（2） 测量电容范围为100pf100f；（3） 应设计3个以上的测量量程；（4） 用四位数码管显示测量结果；（5） 用红、绿色发光二极管表示单位；（6） 组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统；（7） 画出数字式电容测量仪的电路图，写出设计报告。1.3方案论证与

7、可行性分析1.3.1设计方案方法选择与比较在设计之初我们查阅了大量的资料，进行了全面的考察，结合我们所学的知识，我们进行了以下的方案论证及可行性分析：本设计方案（门控法）是对555定时器与各集成芯片应用的一个成果，由此来掌握中大规模集成电路的设计及使用方法。简易数字式电容测试仪主要分为六大板块：由555定时器构成的多谢振荡器、555构成的单稳态触发器、74ls160计数器、74ls373n构成的数码显示译码与锁存器、dcd-hex数码管、电阻电容构成的微分电路。1.3.2 （方案一）回路阻抗法利用来测量。从输入电压与输出电压的振幅关系式和两电压之间的相位关系式可以求出电容量，但测量误差较大，很

8、难满足测试要求。1.3.3 （方案二）谐振法利用来测量。如图（1），接好电容，调节振荡源频率f使电压表指示最大，则就可得被测电容。此方法测量电容的误差包括：分布电容（线圈和接线分布电容）引起的误差；当频率过高时，引线电感引起的误差；当回路q值较低时，不容易准确找出谐振点，一般情况下，不能保证，不易找出谐振点，误差较大，所以不宜采用。图1.1 谐振法测电容 1.3.3 （方案三）门控法利用ne555电路的多谐振荡器或单稳态电路来测量。本方案采用单稳态触发器或电容器充放电规律等,可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度tx 严格cx 成正比. 只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲

9、相与,便可得到计数脉冲,把计数脉冲送给计数器计数,然后再送给显示器显示. 如果时钟脉冲的频率等参数合适,数字显示器显示的数字n 便是cx 的大小. 该方案的原理框图如图1 所示.，整个仪器结构简单，成本低廉，实验效果好，很适合本次课程设计。脉冲形成电路控制电路译码 显示控制电路计数器振荡器图1.2 门控法测电容流程图1.3.4 可行性分析在对门控法测量电容的探索方案论证中我们也曾考虑过把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量进行显示。但是由于我们设计所用的仿真软件无法加载相应的a/d转换器，给设计电路的绘制和仿真造成了不便；而且由于a/d转换器（icl7107）集成度

10、高，如果采用，将降低我们这次设计的实践价值。终上所述，我们选择利用门控法来测量电容量，并且最终放弃使用a/d转换进行显示，进而选用控制电路1（如图1.2）所示的测量方法。对于本次设计的要求，我们所采用的这种方法不仅可以达到实验的要求，而且能够更好的锻炼我们应用所学知识的能力。第二章：单元电路设计与分析测试、验证2.1 振荡器设计 如图所示：由555定时器构成的多谢振荡器，它能在无输入信号的情况下对电容的充放电，产生自激震荡，从而产生矩形脉冲信号。当接通电源ucc后，电容c上的初始电压为0v， 比 较器c1、c2输出为1和0，使uo=1，放电管t截止，电源通过r1、r2向c充电。uc上升至2uc

11、c/3时，rs触发器被复位，uo=0，t导通，电容c通过r2到地放电，uc开始下降，当uc降到ucc/3时，输出uo又翻回到1状态，放电管t截止，电容c又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。 图2.1 多谐振荡电路 图2.1多谐振荡器工作波形图分析：由图2.1可见：uc将在与之间变化，因而可求得电容c上的充电时间t1和放电时间t2。 所以输出波形的周期为： 振荡频率： 通过改变r和c的值来改变频率f的大小，从而获得合适的频率。在本次设计中，多谐振荡器共起着两个作用：一是给单稳态提供输入触发脉冲，对单稳态的输入脉冲是有要求的：（1）输入触发信号的周期输出的正脉冲宽度；（2）输入触发

12、信号的负脉冲的宽度输出的正脉冲宽度。所以我们加入我触发负脉冲电路来保证单稳态的正常工作。 二是给计数器提供计数输入脉冲，对这个输入脉冲我们也是有要求的，多谐振荡器输出脉冲的宽度也应该远小于单稳态输出高电平的宽度，因为我们关心的是一个中有多少计数脉冲。2.2 脉冲形成电路设计如图所示：由555定时器构成的多谐振荡器，它能在无输入信号的情况下对电容的充放电，产生自激震荡，从而产生矩形脉冲信号；由555定时器构成的单稳态触发器特点是：它有一个稳态和一个暂稳态，在外加触发脉冲的作用下，电路从稳态反转到暂稳态，依靠r、c定时电路的充、放电过程来维持暂稳态时间，然后自动返回到稳态（详见2.7部分）；其中，

13、触发复位脉冲电路（即微分电路）保证了555触发脉冲宽度单稳态的输出正脉冲宽度，所以需将多谐振荡器的输出信号频率控制在十赫兹以内。 由上可知，每档的= (s) 以=100pf9999pf为例， 设=100pf时，led为100， =1000pf时，led为1000， =9999pf时，led为9999.考虑误差：1、 在不进行仿真的情况下 当=100pf时，理论值led=100。因计数器特有的“1个字”误差，led应为1001，仅由计数器产生的误差为1%。、在进行仿真的情况下表2.62 对进行调试好的模拟电路进行的误差抽样：真实值100pf150pf10nf15nf1u1.5u测量值101pf1

14、51pf10.7nf16.2nf1.13u1.72u分析：产生的误差，我们可以在标准电阻和标准电容上进行微调(可用滑动变阻器)，这样可以使测量值更加接近真实值，经模拟检验误差变小。 振荡频率的选定：当=100pf时，tw=1.1r=s，led=100. 所以=100 =100/ =90.9khz 其他档位的频率相同，均为90.9khz。 因此在用多谐振荡器产生计数脉冲时，r1=3.125k，r2=6.3k，c=1nf。 2.7 重要原件说明1、555定时器：如图2.7.1为555定时器电路结构简化的原理图和引脚标识。由电路原理图可见，该集成电路由下述几个部分组成：串联电阻分压电路；电压比较器电

15、路；基本rs触发器电路；放电三极管电路及缓冲器电路。编号555的内涵是因为该电路的基准电压是由三个5千偶的电阻组成。 定时器的主要功能取决于比较器。表2.7.1为其功能表。 图 2.7.1 555定时器电路图 rdt状态 0 xx0导通10导通1不变不变 11截止表2.7.1 555定时器功能表在本设计中主要有由555构成的单稳态触发器和多谐振荡器。2、555构成的单稳态触发器图0031为由555定时器构成的单稳态触发器，其工作原理如下：接通电源瞬间，uc=0v,输出u0=1,放电三极管t截止。ucc通过r给c充电。当uc上升到2ucc/3时，比较器c1输出变为低电平，此时基本rs触发器置0，

16、输出u0=0。同时，放电三极管t导通，电容c放电，电路处于稳定，稳态时u1=1。当输出负脉冲时，触发器发生翻转，是u0=1，电路进入暂稳态。由于u0=1,三极管t截止，电源ucc可通过r给c充电，当电容c充电至uc=2ucc/3时，电路又发生翻转，输出u0=0，t导通，电容c放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由rc电路参数决定。若护绿t的饱和压降，则电容c上电压从0上升到2ucc/3的时间，即输出脉冲宽度tw为； tw=rcln3=1.1rc这种单稳态电路工作波形如图0032所示。 2.7.2单稳态触发器的工作电路图级波形图分析：当输出信号由高电平变为低电平时，555内部的放电三极管t

17、导通，电容c通过t放电，由于t饱和导通时电阻很小，因此电容电压迅速减小为0v，电路恢复到稳定状态，为下次触发做好准备。在图7.29电路中，它要求触发器脉冲宽度小于tw。并且输入u1的周期大于tw.如果输入脉冲宽度大于tw,可在输入端接一个rc微分电路，使输入负脉冲经rc微分变窄后再接到单稳态触发器上。通常r取值在几百欧姆到几兆欧姆，电容取值在几百皮法到几百微法。因此，电路产生的脉冲宽度从几微秒到数分钟，精度可达0.1%。在本实验中555构成的单稳态电路主要和多谐振荡器一起构成脉冲形成电路。3、74ls373八 d 锁存器373为三态输出的八 d 透明锁存器,共有 54/74s373 和 54/

18、74ls373 两种线路。如图2.41所示：引出端符号：d0d7 数据输入端；oe 三态允许控制端（低电平有效）；le 锁存允许端；o0o7 输出端；2.7.2 74ls373的电路及逻辑图在本设计中74ls373八 d 锁存器主要作为数据暂存器。4、dcd-hex数码管由于在multisim中仿真可以用译码显示器dcd_hex代替译码和显示单元。所以在我们摒弃了本考虑采用译码器（74ls138）和数码管（7447）来构成译码显示电路的设计方案，使用用译码显示器dcd_hex的优点是可以使电路结构简单明了。第三章：系统综述、总体电路图3.1 简易数字式电容测量仪的总体设计多谐振荡器经过触发负脉

19、冲电路为单稳态提供输入脉冲，由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容c成正比，所以我们就把测量电容转化到测量上，如图3.1单稳态的输出高电平同时控制计数器的enp端，通过复位负脉冲电路控制计数器的清零端（），又控制着锁存器的控制端。计数器的脉冲输入由555构成的多谐振荡器提供，计数器的实际计入时间等于高电平的持续时间，接下来该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。其原理图如下：时钟脉冲发生器&计数器数字显示器控制器锁存器译码器twcp锁存信号清零信号图4.1 数字式电容测试仪的原理图分析：如上图，将被测电容（cx）的容量转换成与之成正比离得脉冲（tw），将这个脉冲作为门控信号，

20、是计数器在固定时钟频率（f）下从零开始加计数。在门控时间内，计数的结果反映cx的大小。即： led的值= 又因为，=k，k为常数，所以，led的值=。为了符合人们的习惯，必须是计数器结果与cx成整数倍的关系。考虑到被测量范围较宽，为了保证精度，必须分档。由框图进行分析与设计最终可得总电路图，详见附件一。3.2电路的调试按照整机电路图接好电路,检查无误后即可通电调试，计数、锁存、译码和显示电路只要连接正确,一般都能正常工作,不用调整。主要调试时钟脉冲发生器和控制器。首先调试时钟脉冲发生器,使其振荡频率复合设计要求。 用频率计检测电路的输出端,最好用示波器监测波形。调整r3 电位器,使输出脉冲频率

21、约为500hz,占空比为0.6。接着调试控制器. 将一个100f 的标准电容接到测试端,按一下开关s ,使单稳态电路产生一个控制脉冲,其脉宽tx = 1. 1rcx ,它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时。如果显示器显示的数字不是100 ,则说明时钟脉冲的频率不符合要求,可以调节r3 再重复上述步骤,经多次调整直到符合要求为止。 用到的公式：占空比q：脉冲宽度与脉冲周期之比。即：q=。3.3 系统综述利用单稳态触发器或电容器充放电规律等,可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度tx 严格与cx 成正比。只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与,便可得到计数脉冲,把计数脉冲送给计

22、数器计数,然后再送给显示器显示。如果时钟脉冲的频率等参数合适,数字显示器显示的数字n 便是cx 的大小。3.4 单元电路图及总体电路图单元电路图，前面的章节已有论证，总电路图见附录。3.5系统调试，功能，指标参数经软件运行，本电路能够成功的运行，其相关指标及参数详见电路总图和元件说明表。第四章：结束语4.1 设计总结经过两周的辛勤设计，我们终于收获了成果。我们从头到尾都是一步一步踏踏实实走过来的，首先通过参考各方面得资料，最后还原到课本，分析自己所熟悉的电路模块，查看其工作原理和其他相关器件所具有的功能。既丰富了自己的知识，同时也给本次设计提供了参考。我们所设计的数字电容测量仪，采用了比较简单

23、成熟的门控法，充分应用了我们的所学过的知识：稳态触发器的输出脉宽与电容c成正比，等等。通过我们的不懈努力，最终再通过一系列的控制，计数，显示电路来成功的实现。本次课程设计是理论与实践相结合的一次体验，在课程设计的过程中，我们充分的体会到了思考特别是独立思考和不断创新的重要性。4.2 存在的问题本次用理论知识解决实际问题的体验，带给我们的是挑战，留给我们的则是更多的思考！我深刻的认识到集成电路设计的灵活性，在实践中，最让我记忆深刻的是对器材的选择，其实很多芯片都可以完成相应的功能，可以说是“条条道路通罗马”。但经过与搭档的讨论，我们最终选择了结构简单，便于操作的最佳器件。同时，电路设计本身就是个

24、硬功夫，在设计初期，我们的经验不足，设计的电路从排线到性能上，都与期望的结果相去甚远，通过查阅相关资料，经过反复的实践联系，最终设计出了结果简洁，思路清晰的电路图。收获喜悦的同时，我们更加认识到对电路原理掌握，对各个模块及其引脚熟悉的重要性。同时，再一次深刻的证明：做事儿认真，对各种软件熟悉掌握的重要。在课程设计中，常常要使用大量的软件。比如，multisim10电路仿真软件、ewb电路仿真软件、office2007办公软件，等等。认真，冷静是做好一切事情的保证。在电路的设计方面，我相信还会有更好的办法，但由于时间仓促，能力有限，目前为止，我们所设计的的程度已经基本到了极限。但最求卓越，不会停

25、止，我们将奋斗不息。4.3 收获与体会（1）、通过本次的课程设计使我们初步懂得了中大规模集成电的设计思路，以及实现方法。学会了基本的设计思路与设计方法：总体框图设计法、单元功能模块设计法；通过对于简易数字式电容测试仪的设计，把数电与模电的知识进一步的深化与结合，对于数模转换、模数转换的思想也有了更深的学习。（2）、对于555定时器的应用以及各芯片的功能更加的熟练，由74ls160构成的计数器与cd4511数码显示译码器的结合应用，是在数字显示方面有了更大的长进。在对各集成芯片的选用时，由于应用软件的一些限制找不到想要的那个芯片，就得找同功能的芯片代替，这样导致寻找适当的芯片以及它的管脚功能成了

26、很大的问题，我们查阅了好多资料，这才把这些问题解决了。最后就是整体电路的一个模拟，在这部分是花的时间最多的，因为理论的想法和实际相差很大的，模拟出的结果根本就不是预期的，经过对电路图的检查分析与相关资料的查阅，最终达到了预期的目的；所以说对于电路的调试也是整个设计中很重要的一部分，它体现了对电路整体的一个理解。（3）、最后就是对电路图整体的布局使其变得更加美观，这也是电路设计的不可缺少的一部分，它是把理论的电路图转化成实物电路的一个基础，体现了设计人员对中大规模集成电路的综合布局水平，这同时也是一个经验积累的问题。通过这次课程设计我真的可以说收益匪浅，收获颇多。（4）、通过这次课程设计使我更加坚信了一个团队的力量，在这次课程设计当中我们相互分工但又紧密合作，才是任务顺利完成。可以说每个人都是功不可没，在遇到问题自己解决不了时，就进行查资料相互讨论从而解决问题。最后的模拟阶段是本次实验能否成功的关键，也是所有成果的集中体现阶段，进过很多次的模拟、测试和改正最终实现了电容测量的数字显示，达到了预期的目的。这是我们团队合作的结果，是大家共同