数字电容测试仪_图文

1、目录1 课程设计的目的 (12 课程设计的任务与要求 (13 设计方案与论证 (23.1 方案的选择与可行性分析 (23.2 方案论证 (34 单元电路的设计与分析 (44.1 555定时器组成的多谐振荡器 (44.2 555定时器搭建单稳态触发器以及多量程选择部分 (64.3 74LS160构成的计数器 (94.4 译码器和数码管构成显示电路 (105 电路的安装调试与仿真 (105.1 电路的安装调试 (106 结论 (136.1 总结 (136.2 收获与体会 (14参考文献 (16附录1:总体电路原理图 (171 课程设计的目的(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

2、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;(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。2 课程设计的任务与要求1、查阅相关资料;进行总体方案设计,得到原理框图;2、要求:技术指标(1电容测量范围:1000p10F,输出应能直接显示其值,误差5%,电源电压选择+12V。(2量程可切换,显示值能够标定。(3能完成指标要求的电容量测试和误差要求。3、选择合适器件,进行最终电路图的仿真;进行仿真

3、实验4、要求三位同学实现不同分工。3 设计方案与论证3.1 方案的选择与可行性分析数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小,从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计,它的设计要点可分为俩部分:一部分是数码管显示,另一部分就是要将Cx 值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多,我们共总结出下面三种参考方案。方案一:用阻抗法测R、L、C有两种实现方法:用恒流源供电,然后测元件电压;用恒压源供电,然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源,所以它们适用的测量范围很窄。方案二:应用基本思想:把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。先把电容C转换成宽

4、度为tw的矩形脉冲,然后将其作为闸门控制计数器计数,计数后再运算求出C的值,并送出显示,转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比,由tw的宽度就可求出电容的大小。可利用数字频率计的知识,频率的测量可用计数器计数来实现,通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。其实,这种转换就是把模拟量转换成数字量,频率f是数字电路很容易处理的数字

5、量,这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化,另一方面也避免了有指针读数引起的误差。综上所述,本课程设计选择方案三来实现测量电容的容值。3.2 方案论证设计思路:本设计是基于555定时器,连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容,即是被测量的电容Cx。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻,电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容Cx值的不同而不同的,所以脉宽即是对应的电容值,其精确度可以达到0.1%。然后把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”,得到计数脉冲,把计

6、数脉冲送给计数器计数,经过译码器,然后再送给显示器显示,这个时侯,如果标准频率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便是Cx的大小。设计的总体框图如图3-1所示。 图3-1 设计的总体框图4 单元电路的设计与分析4.1 555定时器组成的多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图4-1所示,它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲,又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。 图4-1 多谐振荡器电路其工作原理如下:多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后,电路处于某一暂稳态,电容C2上的电压UC 略低于cc V 31,Uo 输出高电平,电源VCC 通过R1、R2 给电容C2充电。随

7、着充电的进行UC 逐渐增高,但只要cc c cc U V 32V 31 , 输出电压Uo 就一直保持高电平不变,这就是第一个暂稳态。当电容C2上的电压UC 略微超过cc V 32时,使输出电压Uo 从原来的高电平翻转到低电平,即Uo=0,此时电容C2通过R2放电。随着电容C2放电,UC 下降,但只要ccc cc U U U 3132 , Uo 就一直保持低电平不变,这就是第二个暂稳态。当UC 下降到略微低于ccU 31时,电路输出又变为Uo=1,电容C2再次充电,又重复上述过程,电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为:(2ln 2R T 221C R += (4-1工作波形如图4-2所示

8、: 图4-2 多谐振荡器波形振荡波形的周期为:22121(7.0C R R tp tp T += (4-2其中2211R R 0.7tp C (+ , 2220.7R tp C ,占空比为: 212112q R R R R T tp +=(4-3 因为时钟周期(21R R 0.7T + 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10F 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10F 。又因为要求Tx=2s ,即时钟脉冲周期应为T=2ms 。即:122T tp tp ms =+= 。如果选择占空比q=0.6,即 q= 1tp T =0.6 ,由此可

9、求得:取2C =0.1F ,则 : 2R = 220.7tp C 11.43K ,1R =120.7tp C - 2R 5.713K 。取标称值:1R =5.6K , 2R =12K 。最后还要根据所选电阻1R 、2R 的阻值,校算流过1R 、2R 的最小电流是否大于 10uA 。从图可以看出,当2C 上电压c U 达到23V时,流过1R 、2R 的电流最小,为: m I in =2132R R VCC4.2 555定时器搭建单稳态触发器以及多量程选择部分由555定时器构成的单稳态触发和多量程选择部分电路如图4-3所示,它可以产生占空比一定的脉波,此脉波用来控制计数。在单稳态触发电路后加反相器

10、用来控制锁存计数值。 图4-3 单稳态触发电路单稳态触发器的工作原理如下: 1.稳定状态没有加触发信号时,输入i u 为高电平。接通电源后,CC V 经电阻R3对电容C 进行充电,当电容C 上的电压CCc V u 32时,输出0=o u 。与此同时电容C 迅速放完电,0c u ,0=o u 不变。2.触发进入暂稳态当i u 由高电平变为低电平时,此时0c u ,输出o u 由低电平跳跃到高电平。此时,电源CC V 经R3对C 充电,电路进入暂稳态。在暂稳态期间内输入电压i u 回到高电平。3.自动返回稳定状态随着C 的充电,电容C 上的电压c u 逐渐增大。当c u 上升到CCc V u 32

11、时,输出o u 由高电平跳跃到低电平。与此同时,C 迅速放完电,0c u 。电路返回稳定状态。单稳态触发器输出的脉冲宽度W t 为暂稳态维持的时间(及占空比,它实际上为电容C 上的电压由0c u V 充到CCV 32所需的时间,可用下式估算:RC RC t w 1.13ln = (4-4式中R 和C 为外接电阻和电容。4.多量程选择电路单稳态触发器的外接电阻R 设计了三种,分别对应不同的分辨率和量程,这是为了增加测量的精确程度,降低相对误差,量程10-100uF 只需闭合开关A ,读出晶体管读数,然后乘以分辨率,即可得到对应待测电容的大小,其他两个量程也是相同的道理,必须相应开关,读出读数然后

12、乘以分辨率,加上单位uF/5.原理分析当被测电容 Cx 接到电路中之后,电源电压Vcc 经微分电路1C 、1R 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。取1R=1K,2R=10K,1C=l F4.3 74LS160构成的计数器计

13、数器主要用来对时钟进行计数并送入显示电路显示。计数器选用74LS160进行设计较简便。 74LS160是集成同步十进制计数器,该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端,可串接计数使用。由三个74LS160构成的计数器电路如图4-4所示: 图4-4 计数电路4.4 译码器和数码管构成显示电路74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器, 74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码,可以直接把数字转换为数码管的显示数字,由三个74LS47译码器和三个数码管构成的显示电路如图4-5所示: 图4-5 译码显示电路图5 电路的安装调试与仿真5.1 电路的

14、安装调试(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,下载仿真软件,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,并且根据设计指标进行调试,知道出现预期结果为止。5.2 电路的仿真仿真测量实验一:当电路参数调试符合要求后, 在待测电容处

15、连接一个假设电容值为46F 的电容, 启动开关A,结果显示如图5-1: 图5-1 仿真测试图1读数:47*1=47F 误差计算:%2%100x 4646-47=,符合误差在±5%之内的要求仿真测量实验二:当电路参数调试符合要求后, 在待测电容处连接一个假设电容值2F 的电容, 启动开关B 结果显示如图5-2所示: 图5-2 仿真测试图2读数:21*0.1=2.1F 误差计算:5%100x 222.1=-,符合误差在±5%之内的要求。 仿真测量实验三:当电路参数调试符合要求后, 在待测电容处连接一个假设电容值0.025F 的电容, 启动开关C ,结果显示如图5-3所示: 图5

16、-3 仿真测试图3读数:26*0.001=0.026F 误差计算:4%100x 0.0250.0250.026=-,符合误差在±5%之内的要求。6 结论6.1 总结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,打开对应的开关以后,经过简单的换算就可以得到电容的大小值,方便在以后的实验中对电容的使用。6.2 收获与体会 通过两周的课程设计，让我对数字电路知识有了进一步的了解，包 括对一些元器件的功能和使用法有了进一步的认识，以前的学习主要在 于原理方面，对器件单一的认知，缺少

17、模块化的思想，而这次课程设计 正好弥补了以前学习的不足，让我们更加注重于知识的运用，在实践中 加深了对知识的理解。在这次课程设计中，令我感触最深的就是几位同 学团结合作，一起把所学的理论知识变为现实生活中的应用。在实践中 获取了不少知识，但更重要的时发现了自己在学习中思考不足动手不足 的问题，在今后的学习中，我一定会针对这些问题改进学习方法，提高 动手实践能力。 从抽到课程设计的任务到在软件中实现其功能，再到报告的撰写， 这两周的时间对我们来说是受益匪浅的。 这是一次理论与实际相结合的过程，在这一过程中，我们终于能将 所学的知识应用到生活实际中去。以前学习总感觉知识与实际脱离的太 远，学得再好

18、，过不了多长时间就全忘了，到头来学了也不知道有什么 用，学了也没用到实处去。而这次课程设计，虽然我们只是在软件上实 现其功能，而没有做出实物，但这也让我们充分体会到了知识的魅力， 实践的乐趣。 在设计过程中，多谐振荡器中电容电阻值的选择，量程的设计及单 位显示电路的设计是值得注意的。74LS160 对计数脉冲有一定的要求， 同时多谐振荡器的频率也会影响测量精度。所以多谐振荡器的电容电阻 值的选择有一定的讲究。在设计量程时，我是通过改变单稳态电路 6、8 引脚间的电阻值来设计的。 当然，在整个设计过程中并非只遇到这几个问题。我们可能会因为 14 一个问题而在电脑前调试好几个小时。但这发现问题、解决问题的过程 就是我们学习的过程。只有这样，我们才能体会到成功后的喜悦，也只 有这样，我们才能真正学到知识，开拓思维，提高动手能力。在我看来， 拼装出这个电路是其次，因为在网上，资料书上很有可能就有这个电路。 重要的是培养自己的