数电课设电容测试仪(共20页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上目录摘要 设计共有三大组成部分：一是方案比较，概括讲解了不同测量电路的设计思想和优缺点；二是所采取方案各单元所用器件的性能和在电路中的功能，以及仿真结果。使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐振荡，能产生多谐振荡的555电路，输入到74LS160计数器，74LS160计数后，计数结果送至74LS73进行锁存，经CD4511译码后最后通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电容值。 由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比，把电容C转换成宽度为tW的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存-译码-显示系统就可以得到电容量的

2、数据。在报告中给出了原理图的仿真和实物的焊接图，实际调试的测量图也给与展示。关键词： 闸门信号 标准频率脉冲1.绪论数电课程设计是作为数字电子技术基础的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字电子线路设计和调试的方法，增加模拟电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。按照本学科教学培养计划要求，在学完专业基础课电路与电子技术后，应安排课程设计教学实践项目，其目的是使学生更好地巩固和加深对专业基础知识的理解，学会设计中、小型电子线路的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业

3、课的学习和日后工程实践奠定基础。1.1设计的目的和意义1.1.1设计目的1、根据给出的技术和指标，设计电容测试仪。2、掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。3、熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。4、增强对课本理论知识的理解，并提升到时间制作当中，学以致用。1.1.2设计意义1、很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。固定电容的容量可直接从标称容量上读出，而可调电容的容量则不确定，因此，设计一个简易电容测试仪作为测量工具是有必要的。2、如果本次课程设计可以成功，不仅可以使我们更

4、好地理解调频无线话筒的原理，也会增加我们探索无线电的兴趣。如果设计不成功或达不到要求，本次课程设计也会使我们明白实践与理论的结合需要多加练习，从而认识到自己的不足，在以后的学习中加强实践。总之，这次课程设计会帮我们提高很多。2. 设计方案及论证2.1设计方案2.1.1方案一 像测量R一样，测量电容C的最典型的方法是电桥法，如图1所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件为图2.1.1原理图 通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简

5、单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。2.1.2方案二 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。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCln31.1RC。从式可以看到，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tW跟着改变，由tW的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V0取平均值，由于电容量的不同，tW的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电容C的大小。如果把平均值送到位A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。2.1.3方案三 标准频率比较法。很多仪表都是把较难测

6、量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。在此基础上，把电容C转换成频率信号f, 转换的原理是555振荡器的振荡周期T=0.7(Ra+2Rb)C, 周期T与电容的电容量C成正比，通过闸门控制电路控制计数器，对闸门内的脉冲进行计数，并由LED数码管显示出电容量。其原理框图如图2.1.3。 图2.1.3原理框图2.1.4方案四标准频率的产生，用555多谐振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲。用单稳态触发器电路把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数部分电路，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲

7、送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。原理框图如2.1.4。图2.1.4原理框图2.2方案论证由于方案一电路参数不易计算，判别较难，方案二电路形式复杂不易实现，方案四是在方案三的基础上加以改进使测量更加方便，所以选择方案四。3. 单元电路设计、参数计算3.1标准频率产生模块3.1.1原理图的构成 将555定时器与几个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式555多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7（+2）C 的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。当接通电源Ucc后，电容上的初始电压为0

8、V，比较器、输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过、向充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容通过到地放电，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，电容又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。电容上的充电时间T1和放电时间T2分别为：T1=0.7(+)C1，T2=0.7，输出矩形波的周期为：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C1，振荡频率：f=1/T=1.44/(+2)，占空比：q=(+)/(+2)。=1k、=5k、=1nF，这样取值的目的是为了方便计算。 图3.1.1标准频率产生原理图3.1.2仿

9、真输出波形图图3.1.2标准波仿真图3.2矩形脉冲产生模块3.2.1原理图的构成 由555定时器构成的单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容的容值。 555单稳态触发器的工作原理为：接通电源瞬间，Uc=0V,输出Uo=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，输出Uo=0。同时，放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Ui=1。当输入负脉冲后，触发器发生旋转，使Uo=1，电路进入暂稳态。由于Uo=1，

10、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，电路又发生反转，输出Uo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。暂稳态时间由RC电路参数决定，输出脉冲宽度Tw=1.1RC。R取值分别为7MK和7K从而保证待测电容的范围从皮法到微法。单刀双掷开关可以用来选择量程。参数的选择：因为测试电容的原理是:闸门信号Tw=1.1RCx，而振荡器输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx，等式两边同时约去N和Cx，那么在闸门信号闸门内有N个基准脉冲，电容值就为N(Cx)。因为此次课程设计的要求为100pF-1uF

11、，多谐电路中、的取值分别为1k、5k、1nF。只需要将R的值设置为7Mk、7k两个量程即可进行100pF-10uF的量程测试。图3.2.1脉冲发生模块原理图3.1.2仿真输出波形图图3.1.1矩形脉冲波形图3.3计数器模块3.3.1原理图的构成 本设计中的74LS390芯片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用两74LS390 芯片来实现。 由于74LS390为双二-五-十进制计数器，为使她能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。74LS390得级联方式很多，本设计中，我们使用低位片的进位，作为高位片的触发脉冲来实现。即低位片每向高位进为一次，高位计数一次。由此可实现10000进制

12、计数。 图3.1.1计数器模块原理图3.4锁存译码显示模块3.4.1原理图的构成 由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，因此我们用了一个74LS273做成的锁存器。当555单稳态输出负脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273的CP脉冲输出当前的数据 由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。74LS273工作原理是：MR为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输入信号变动，直至下一个上升沿到

13、来。这里的CLK输入由单稳态输出接反相器得到。当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁存，以正确显示电容值。译码输出部分采用显示译码器CD4511和个共阴数码管进行显示。图3.4.2锁存译码显示部分原理图3.4.2仿真输出图3.4.2 C=5uF 仿真输出图3.4.3 C=100pF 仿真输出4. 系统原理综述 使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐振荡，能产生多谐振荡的555电路，输入到74LS160计数器，74LS160计数后，计数结果送至74LS73进行锁存，经CD4511译码后最后通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电容值。 具体实现为：555

14、产生单脉冲，其时间Tw为一个时间长度，即为脉冲宽度。然后多谐振荡产生连续的方波，其时间长度远小于单脉冲，即其脉冲宽度远小于单脉冲，单脉冲的脉冲宽度是多频的整数倍。相与后输出的脉冲个数就是Tw时间内脉冲的个数。电容通过555转化为Tw时间内连续脉冲的个数，而输出的就是Tw时间内连续脉冲的个数N的值。 根据555的性质由相关0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx公式知，要测电容就必须知道和R的值，为方便计算其中R1+2R2总取值为11k，由于本次课设的测量范围是100pF1uF，所以R的取值为7Mk和7k便于换挡。最后将数值N用数码管进行显示出来。 总的来说，本设计的基本思路就是利用555，将电

15、容的模拟信号转为数字信号，再用计数器进行计数，最后通过译码管和数码管译码、驱动、显示出来。5. 芯片介绍5.1 555定时器  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 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

16、 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 图5.1.1 555引脚图555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555. 555引脚图介绍如下:1 地 GND 2 触发 3 输出 4 复位 5 控制电压 6 门限(阈值） 7 放电 8 电源 Vcc5.2 74ls390计数器图5.2.1 74ls390引脚图 这种双单片电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4位计数器，可以实现等于2进制计数、5进制计数乃

17、至100进制计数。当用单个二五进制时可构成一个十进制计数，两个则可以百进制，我们用了四个数码管进行显示，所以我们用了两片74ls390进行计数。图5.2.2为其功能表。图5.2.2 74ls390功能表5.3 74ls273锁存器 74LS273是8位数据/地址锁存器，他是一种带清除功能的8D触发器，1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、

18、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。图5.3.1为其引脚图。图5.3.1 74ls273引脚图5.4 CD4511译码器 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译

19、码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。图5.4.1 CD4511引脚图6. 实物展示图6.1.1 实物图图6.1.2 47pF实物显示图图6.1.3 1000pF实物显示图图6.1.4 22nF实物显示图7.心得与体会 本次课程设计期间还进行了一些考试，加上本设计需要寻找大量的资料，时间其实还是比较紧迫的。这次设计是我们小组三个人，思路很不一致，各有各的想法，于是我们决定一起讨论方案得到认可后便开始各自的准备。首先在网上搜集了各种方案，经过仔细比较再结合平时在课堂上学的知识最终确定了自己的方案。 相对来说，我们组抽到的这个题的涵盖面很广，不仅有数电方面的知识还包括模电、电路等，因题目只给出了最后需要达到的效果及要求，因而可供思考的余地很宽，这也给了我们充分的发挥空间。 通过这次课程设计，我们深刻的认识到知识间的融会贯通很重要，学习知识就是为了使用，学得好不算什么，更重要的