数字电容测试仪1

1、1课程设计目的在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。在实际操作中，对电容的测量存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。2 课程设计指标(1) 被测电容的容量在0.01至100范围内。(2) 设计测量量程。(3) 用2位数码管显示测量结果，测量误差小于20%。(4) 相应时间不超过2s。3 课程设计原理3.1 设计原理框图定时电路多谐振荡器计数器译码器数码显示器微分电路自

2、动调零外接电容图3.1 电容测量仪原理框图3.2 方案设计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。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。3.3 模块介绍3.3.1 控制器电路控制器的主要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制

3、脉冲宽度 Tx图2所示为单稳态控制电路的原理图该电路的工作原理如下：当被测电容 Cx接到电路中之后，只要按一下开关 S，电源电压Vcc 经微分电路、和反向器，送给 555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。由于设计要求 ，Cx的变化范围为 1999，且测量的时

4、间小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999)时 Tx<2s，根据 Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分电路可取经验数值，取=1K，=10K，=l。3.3.2 时钟脉冲发生器这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图 3所示。振荡波形的周期为： 其中，占空比为： 因为时钟周期 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上 6脚有10的电流流入因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10。又因为要求 Cx =999时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在 2s内产生 999脉冲即时钟脉冲周期应为T=

5、2ms即： 如果选择占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，则 ： = 11.43K =-5.713K 取标称值：=5.6K，=12K 最后还要根据所选电阻、的阻值，校算流过、的最小电流是否大于 10uA 从图可以看出，当上电压达到时，流过、的电流最小，为: =95uA 振荡周期： 可见所选元件基本满足设计要求为了调整振荡周期，可选用5.6K的电位器3.3.3 计数和显示电路由于计数器的计数范围为1999，因此需要采用 3个二十进制加法计数器这里选用 3片74LS160级联起来构成所需的计数器一片74LS160和数码管连接如下图:三片74LS160和三个数码管连接出来的

6、显示图如下图：4 设计的步骤和过程4.1 设计制作的过程(1) 查阅资料，了解数字电容测试仪的基本工作原理和工作原理电路图，把整体电路图分解成一个个单独的模块。(2) 通过查阅集成块的参考书，了解各个模块中的集成块的构造就作用，对集成块的使用方法已经集成块的输入输出端以及集成块的进制有一定得了解。(3) 通过网络，下载EWB(Electronics Workbench)软件，通过网络教程对软件的使用方法进行学习，初步学会通过该软件设计电路图。(4) 根据整体电路的要求，设计出各个部分模块的电路，通过示波器的检查，确保各个模块正常工作。(5) 把设计好的各个模块组装成整体的电路，并且根据设计指标

7、进行调试，知道出现预期结果为止。4.2 时钟及控制信号的关系等由于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。因此，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，这个时侯，如果时钟脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示器显示的数字 N便是 Cx的大小测量值用数码管显示及单位的确定，对不同的转换方法所得的结果有不同的测量方法。如将电容容量转换为电压，则可通过AD转换电路，将模拟电压转换为数字电压，再接至数码管显示。而频率的测量则可用计数器计数来实现，通

8、过计算参数使待测电容与计数值满足某一函数关系，通过这个函数关系可表示出待测电容的大小。而测脉冲宽度法事实上与测频率法相同，脉冲作为门控信号，与时钟脉冲发生器产生的固定频率相“与”，待测电容容量越大，脉冲宽度越宽，则相“与”后产生的计数脉冲越多，再按照测频率法的方法就可以测量出待测电容的容量。5 设计的仿真与运行结果5.1 电路的调试重按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试计数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 电位器，使输出脉冲频率约为 50

9、0Hz，接着调试控制器将一个 100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仍不符合要求，可以调节再复上述步骤，经多次调整直到符合要求为止。5.2 仿真测量 5.2.1 仿真测量实验一当电路参数调试符合要求后,将一个300的标准电容接到测试端, 按一下开关 s,结果显示如下图:误差计算：，符合误差在20%之内的要求5.2.2 仿真测量实验二开关3分别打开闭合一次，显示屏清零，然后在待测电容处连接一个假设电容值为521的电容，打开开关S，观察显示屏上所检测

10、出来的数值，并与假设值比较，具体操作以后，显示如下图：误差计算：，符合误差允许的范围。5.3 结果分析 通过上面两个数值的测量，可以得出此数字电容测试仪的设计是正确的，可以比较准确的测量出一个待测电容的电容值，并且能够将误差控制在很小的范围内。只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。经过调试，发现当被测电容容量在1到100之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01到1之间时，测量值误差较大，并且显示方面也出现了一点问题。但被测电容要求在0.01到100之间，为此，在原电路基础上我们进行了改进，由于Tx=1.1RCx，当Cx在0.

11、01到1之间时，只要将R扩大100倍，那么Tx将与Cx在1到100时一样，即Tx在两种情况下大小相等，于是只要增加一个小量程档，就能有效地解决这个问题。6 结论6.1 设计过程中遇到的困难及解决办法在设计的最初阶段，由于通过资料的查阅，对各个模块的电路图有了初步的了解，所以在设计的时候能够得心应手，特别在设计计数和显示电路模块的时候，设计过程比较流畅，第一天便完成了任务。但是在接下来设计控制器电路和时钟脉冲发生器电路时，遇到了一点点的小麻烦，由于设计这两个模块需要对555集成块进行连接，但是当时对555集成块理论知识的掌握不够全面，所以设计出来以后电路有问题，不能正常工作。所以我们决定先暂停设

12、计，翻阅课本和在图书馆借来的资料，把555集成块的结构和功能研究了一遍，最后终于成功了设计出来，这也刚好验证了那句老话“磨刀不误砍柴工”。当把所有模块全部连接起来以后，运行该数字电容测试仪是，显示屏上一开始一直显示的是111，每次测试的时候都是从111这个数值的基础上开始累加。后来经过我们对电路的研究，发现没有设计调零电路，所以我们在电路图上设计了一个自动调零电路，这样，从111开始计数的问题就解决了。6.2 课程设计心得体会 时间过的好快，转眼间，为期两周的电子技术课程设计就结束了。通过这两周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。设计，给人以创作的冲动。但凡涉及设计都

13、是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基

14、本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。课程设计的过程中，由于对理论掌握的不熟练，或者是操作过程中发生失误，都会导致最后结果出不来。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。对我们电子信息专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程

15、设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在两周进行，但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。通过课程设计，我还更加明白了

16、一个真理。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，数字钟不过是由计数器和译码显码器组合而成，也便不以为然搭建电路图，结果电路出现诸多问题，譬如短路开路，EWB中引脚悬空即为低电平，现实中引脚悬空呈现大电阻特性即高电平，不为则不知，无为则无知，实践出真知。课程设计达到了专业学习的预期目的。在两个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在此我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！7参考文献1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高教出版社，2006：1129.2 阎石.数字电子技术基础.高教出版社，2006：66309.3 金唯香