电子线路课程设计

1、湖北民族学院信息工程学院课程设计报告题目: 电容测量仪 信息工程学院课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）设计题目电容测试仪设计技术参数测试电容容量100pF100F之间，测试结果采用数码管显示。设计要求（1）结合实验室现有设备，独立设计电路；（2）独立完成课程设计实物制作，设计只能采用模拟电路、数字电路相关知识，不能采用单片机及其他微处理器。独立完成设计报告，严禁报告内容雷同。（3）电路图中的图形符号必须符合国家或国际标准；（4）所有电路图的制作应采用 Protel99 SE或更高版本，也可以或Multisim10或Protues正确绘制及仿真；（5）报告内容完整，格式正确，A4纸张打印，

2、字数不少于5000字。（6）设计报告除上交打印稿外，另外上交电子文稿和设计及仿真源文件，电子文稿和设计文件打包后用“学号+姓名”作为文件名发到指导老师邮箱（7）设计报告纸质文档由学习委员在9周末交到老师办公室；电子文档等上交截止日期也是9周末。实物验收时间是9周星期三和星期四，实物检查验收完毕后学生可以领走。参考资料1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052康华光，陈大钦. 电子技术基础数字部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20053 邹义政. 自制数字电容表J. 电子制作. 2003(01)4 鹿桂兰. 利用电桥法测量

3、电容J. 中国教育技术装备. 2009(23) 2016年10月22日 课程设计题目： 电容测试仪 成绩： 指导教师： 2016年10月22日信息工程学院课程设计成绩评定表摘 要本文介绍了一种简单的数字式电容测试仪，它能够较为准确地测量出100pF100F的电容大小。它是由基于555定时器芯片的多谐振荡电路的脉冲产生模块、基于555定时器芯片的单稳态电路的信号控制模块、基于三片74LS160芯片的电路的脉冲计数模块以及基于CD4511译码器芯片和共阴极七段数码管的数值显示模块构成。时钟脉冲产生模块、信号控制模块、与门产生一个与被测电容大小相等的脉冲数，脉冲计数器模块计数算出，最后由数值显示模块

4、显示所测得的脉冲数即电容值。关键词：脉冲产生，脉冲控制，脉冲计数，数值显示目 录1 任务提出与方案论证11.1任务提出11.2 方案论证12 总体设计22.1 电路原理22.2 555定时器介绍22.3 74LS160介绍32.4 CD4511介绍32.5 74LS08介绍42.6 74LS00介绍42.7 共阴极七段数码管53 详细设计及仿真53.1 Multisim介绍53.2多谐振荡电路63.3单稳态电路83.4计数器电路93.5总电路的仿真103.5实物调试114 总结12参考文献13 1 任务提出与方案论证1.1任务提出任务：制作电容测量仪，测试电容容量100pF100F之间，测试结

5、果采用数码管显示。要求：（1）结合实验室现有设备，独立设计电路；（2）独立完成课程设计实物制作，设计只能采用模拟电路、数字电路相关知识，不能采用单片机及其他微处理器。独立完成设计报告，严禁报告内容雷同。（3）电路图中的图形符号必须符合国家或国际标准；（4）所有电路图的制作应采用 Protel99 SE或更高版本，也可以或Multisim10或Protues正确绘制及仿真；（5）报告内容完整，格式正确，A4纸张打印，字数不少于5000字。（6）设计报告除上交打印稿外，另外上交电子文稿和设计及仿真源文件，电子文稿和设计文件打包后用“学号+姓名”作为文件名发到指导老师邮箱（7）设计报告纸质文档由学习

6、委员在9周末交到老师办公室；电子文档等上交截止日期也是9周末。实物验收时间是9周星期三和星期四，实物检查验收完毕后学生可以领走。1.2 方案论证方案一：利用电容的交流阻抗特性，将电容大小转换成电压模拟信号。再经过A/D转换器将电压模拟信号转换成电压数字信号。由于电压大小和电容大小成正比关系，调节电路各个参数，就能得到与电容大小相等的的电压数字信号值。此方案具有自动调零的有点，但是由于分立元件过多，造成了精度不够。方案二：利用电容的充放电，将电容大小转换成一定脉宽的脉冲，将其作为控制电路，与标准的时钟脉冲发生电路进行与运算后，会得到一定数目的脉冲数，由于电容大小和脉宽大小成正比关系，调节时钟脉冲

7、发生电路的脉冲频率，就能得到与电容大小相等的脉冲数。此方案精度好，但我设计的电路需要手动调零。综上所述，选择方案二。2 总体设计2.1 电路原理将待测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度严格与待测电容大小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便是待测电容的大小该方案的原理框图如图2-1所示。图2-1 原理框图2.2 555定时器介绍 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

8、脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC 若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 其功能表如表2-2所示表2-2 555定时器功能表2.3 74LS160介绍74LS160是十进制计数器，直接清零，异步清零端MR非为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。160

9、的预置是同步的，当置入控制器PE非为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3数据端P0-P3一致。其真值表如表2-2所示：表2-2 74LS160真值表2.4 CD4511介绍CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码-七段码译码器。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。可直接驱动共阴LED数码管。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边

10、的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。其引脚图如图2-3所示。图2-3 CD4511引脚图2.5 74LS08介绍74LS08是2输入四与门集成电路芯片,常用在各种功能的数字电路系统中。 本次设计就是利用了74LS08与门特性将多谐振荡电路和单稳态电路连接在一起。其真值表如表2-3所示。表2-3 74LS160真值表2.6 74LS00介绍74LS00 是常用的2输入四与非门集成电路，他的作用很就是实现一个与非门。而与非门将输入引脚接在一起就可以实现反向器功能即非门，本次设计就是利用了74LS00的这个特性。其真值表如表2-3所示。表2-3 7

11、4LS160真值表2.7 共阴极七段数码管LED显示器是由发光二极管作为为显示字段的数码显示器件，图6为一位LED显示器的外形和引脚图，其中七只发光二极管(ag七段)构成字型“8”，另外还有一只发光二极管dp作为小数点。 当显示器的某一段发光二极管通电时，该段发光，例如，使b、c、f、g这4段发光二极管通电，则显示字符“4”。图2-7 LED数码管的引脚图 3 详细设计及仿真3.1 Multisim介绍本设计中采用的软件是Multisim12.0。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图

12、形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim具有诸多优点。一、直观的图形界面整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；二、丰富的元器件提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。三、强大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic work

13、bench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。四、丰富的测试仪器提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：3.2多谐振荡电路555定时器芯片上电之后，经电阻R1和R2对电容C充电其电压UC由0按指数规律上升。当UC2/3VCC时电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、Q=1,输出U0跃到低点平UoL。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电。随着电容C放电Uc下降到Uc1/3Vcc时则电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1、Uc2=0基本RS 触

14、 发器被置1Q=1Q=0输出U0 由低点平UoL跃到高电平UoH。同时，因Q=0，放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容C充电。因此电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电从而使电路产生了振荡输出矩形脉冲。其波形图如3-1所示。图3-1 多谐振荡器波形图仿真电路如图3-2所示，仿真结果如图3-3所示。3-2多谐振荡仿真电路3-3 仿真结果3.3单稳态电路单稳态触发器所产生波形用于控制计数，由555定时器组成的单稳态触发器。单稳态触发器的工作特特性具有如下特点： 第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。 第二，在外界触发脉冲作用下能从稳态翻转到暂稳态在暂稳

15、态维持一段时间后再自动回到稳态。第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 在图6所示的单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制的，如果开关断开，则经过反相器后，端口2处于高电平，那么稳态时这个555定时电路一定处于Vc1= Vc2=1、Q=0、V0=0的状态。通电后电路便自动地停在V0=0的稳态。 当开关闭合时，经反相器后端口2处于高电平，使555定时电路Vc2=0，锁存器被置1，V0跳变成低电平，电路进入暂稳态。与此同时TD截止，Vcc经R3开始向电容Cx充电。当充至Vcx=2/3Vcc时，锁存器被置0，输出V0=0状态。其波形图如3-4所示。3-4单稳态电

16、路波形图仿真电路图如图3-5所示，仿真结果如图3-6所示。 图3-5 单稳态仿真电路图3-6 仿真结果3.4计数器电路我们采用74LS160作为计数器，74LS160的 A、B、C、D为输入端，QA、QB、QC、QD为输出端，RCO为进位输出端，CLK为脉冲输入，低电平有效，ENP、ENT为计数制端，CLR为异步清除输入端，低电平有效，LOAD为 同步并行置入控制端，低电平有效。计数器电路是由3片74LS160组成的异步1000进制计数器把个位计数器的进位输出端RCO接到十位计数器的CLK端。第一片每计到9时RCO端输出变为高点平，下一个计数脉冲到达后，第一片计成0状态，而第二片计成1，可见，

17、这3片74LS160不是同步工作的。计数器的输出端接到只有四引脚的八段数码显示管上数码管上显示的数值即为计数器所计脉冲的个数。仿真电路图及仿真结果如图3-8所示。图3-8 计数器仿真电路及仿真结果3.5总电路的仿真 待测电容是C1，仿真时选取的56uf的电容，仿真电路和仿真结果如图3-9所示。本设计中我们通过控制R的大小来设置3个不同的档位由一个单刀双掷开关来 控制。当R=100时第一档，当R=10k时第二档, 当R=1M时第三档。 把多谐振捣器的输出和单稳态控制电路的输出通过一个与门相与。然后再接到计数器电路的低位脉冲信号输入端CLK。这样数码管上显示的数值就 是被测电容的容值。 图3-9仿

18、真电路和仿真结果3.5实物调试一、焊点检查：在断电情况下，逐点检查各焊盘的焊接情况，看是是否有虚焊和漏焊及短路和断路的地方；二、加电检查：在1完好的情况下，加上电，打开开关，电源指示灯被点亮，用手逐个摸芯片，看是否有发烫的情况：如有，赶快断电，看电压是否加错或者再回头检查一下电路。三、待测电容调试：1）在2完好后，加上一个标称值为47u的电容进行测试，发现按一次键，显示一个值，清零后，再按一次键，显示值与上一次显示值不一致，后查阅相关资料，这是由于输入的低脉冲时间大于输出的tw，导致单稳态触发器不能正常工作，须在输入端加上有一个电容和电阻构成微分电路方能正常工作；3）在此基础上改变单稳态触发器上输入端的精密可调电位器R的阻值，从而使显示值与标称值相等；4）再更换不同电容值（从小到大更换）进行测试。 4 总结这次课程设计，考察了我们对电子技术基础模拟部分和数学部分的掌握情况。在实验过程锻炼了自己的思考能力和动手能力。在通过题目设计电路的过程中，加强了我思考问题的的完整性和与实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，使我对理论知识和芯片的原理和功能有了更深刻的记忆，锻炼了自己对问题的分析和解决能力同时也锻炼了自己的耐心。再这次实验中我实物调试出现了困难，仿真出来后，发现跟