数电论文-__简易数显式电容计的设计

1、编号本科生课程设计报告题目： 简易数显式电容计的设计物联网 学院 电气 专业学 号 0701100125 学生姓名 智月明 指导教师 周霞 同实验者 李建男评分二一年七月 简易数显式电容计的设计一：设计任务和要求1.测量范围为1999nF。2.用三位LED数码管显示测量结果。3.具有超量程指示。4.能自动地进行连续测量。测量周期为4秒，测量结果保持2秒左右。二：简易数显式电容计的组成和工作原理振荡器计数器显示译码电路超量程指示电路控制电路CT转换电路1-1 简易数显式电容计的组成框图数显式电容计具有测量速度快，读书方便等优点，正在逐步取代传统的电容测试方法。简易数显式电容计的框图如图1-1所示

2、，它由CT转换电路，振荡器，控制电路，译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。1CT转换电路的作用是把被测电容的电容量Cx转换成脉冲信号，使脉冲信号的宽度Tx正比于Cx。单稳态触发器有定时时间正比于定时电容的关系，因此可以用单稳态触发器实现此功能。2.振荡器产生矩形脉冲,让计数器在CT转换期间计数。如果Cx大，则Tx大，那么在Tx期间计数器计的脉冲数就多，而计到的脉冲数多，代表Cx就大。只要调整好振荡器的振荡频率，就可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的nF数。3计数器是三位十进制计数器。4显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数字显示出来。5超量程指示电路的作用是当计数

3、器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nF,此时显示器的读书已不是Cx的值。6 控制电路的作用是用来产生控制各部分电路正常工作的时序信号。如果用下降沿触发单稳态电路，用上升沿使计数清零和超量程指示电路复位，测量过程的时序图如下1-2所示。图1-2 数字式电容计测量过程时序图7设计时采用CMOS集成电路，电源电压用+5V。三：单元电路的设计1CT转换电路的设计在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用555定时器构成的单稳态触发器中，有 tw =1.1RC式中R和C为定时电阻，电容。因此，在这里CT转换电路采用单稳态触发器。用555定时器构成的单

4、稳态电路如图13所示，波形见图14。图中Tx =1.1RCx。图13 转换电路图CT转换波形图在电路中加入了由Cr和Rr组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入V11的下降沿触发，定时时间与V11的低电平宽度无关。考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内Tx的时间为0.1ms0.1s,，即取R=91K。2 多谐振荡器的设计多谐振荡器也用555定时器构成，电路如图15所示。 图1-5 多谐振荡器 多谐振荡器的振荡周期为：T =0.7(R1+R2)C,在Tx内计数器计到的脉冲数N =Tx /T，即有： N=1.1RCx / T根据设计要求，N就是被测电容Cx的nF数，则有T =1.1*91*103

5、 *10-910-4 s也就是说振荡器的振荡频率约为10KHz。 根据振荡器周期的计算公式，先取C =0.01uF。那么R1+2R2=14.3K，取R1 =6.8K，则R2应为3.75 K。可以用4.7K的电位器作为R2来调整电容计的测量精度。3计数电路的设计（1）计数器的选用计数器采用。是三位BCD加法计数器，集成电路的引脚排列图如图17所示。图1-6 MC14553引脚图（2）MC14553功能说明MC14553逻辑结构示意图如图1-7所示。MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器，三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输

6、器的时序扫描电路和振荡器电路，以及用显示控制的数据选择输出， ，组成。图1-7 MC14553 逻辑结构示意图 图1-7中，振荡器提供多路数据选择器的低频扫描时钟脉冲，振荡器的振荡频率取决于连接在引出端和之间的外接电容C1 的大小，若需外部时钟，也可以从引出端处引入。振荡器产生的扫描时钟信号与三个位选择输出信号的时序关系见图1-8所示。 在复位端“R”上施加“1”电平时，复位信号同时作用于BCD计数器，振荡器和多路扫描电路，使得扫描电路处在初始状态，扫描振荡器禁止振荡，同时置所有的三个位选择输出为“1”电平，从而不允许显示。 当时钟禁止端“INH”为“1”时，禁止时钟脉冲“CL”输入BCD计数

7、器，计数器保持禁止前的最后计数状态。输入端的脉冲整形电路允许输入上升时间或下降时间很缓慢的信号输入计数器并能可靠地工作。 当锁存器的锁存允许端“LE”为“1”时，锁存器呈锁存状态，保持原有的锁存器内的信息。这时BCD计数器即使施加复位信号，锁存器仍然保持原有的信息。若需将锁存器内的信息清除，锁存器“LE”端加“0”电平。MC14553电路还提供了一个溢出输出端“OF”，计数器每逢输入第1000个时钟脉冲的上升沿时，溢出端“OF”输出一个完整的脉冲，该脉冲结束于上述条件下输入时钟的下降沿。（3）计数器电路的连接根据CT转换电路在转换期间的输出是高电平，以及要用来控制计数器计数，可从表11中灰色的

8、三行看出，将CT转换电路的输出加到“CL”端，计数脉冲从“INH”端引入，计数器其他电路的连接电路如图110所示。4显示译码电路的设计（1）显示译码器的选用显示译码器选用CD4511，CD4511是BCD七段锁存/译码器/驱动器，其引脚排列图如图1-9和所示。图1-9 CD4511引脚图CD4511具有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非BCD码时，译码器的七个输出端全为“0”电平，显示器暗（又称为消隐）。在MC14511的输入端有四位锁存器，LE为选通端。当“LE”为“0”电平时允许BCD码输入：当LE为“1”电平时锁存。MC14511每段的输出驱动电流可达25mA，因此在驱动LED时要

9、加限流电阻。 a b c d e f ga b c d e f ga b c d e f g16436 2 1 7 5 6 7 9MC14553MC145111415 910111213 15 1 2VDD接单稳态输出VO1接多谐振荡器 输出V02清零信号超量程指示电路VDD 图1-10 计数和显示译码电路（2）显示译码电路 计数和译码显示电路如图110所示，其中显示译码器电路为扫描显示电路（也称为动态显示电路）。扫描显示的基本原理是利用人眼的视觉惰性和发光二极管的余辉效应。在图1-10中，在MC14553输出个位的BCD码时， =0，个位的数码管在V1的驱动下，显示个位的数字。在这期间与均为

10、1，V2，V3截止，十位和百位的数码管上没有显示。接着，输出十位的BCD时， =0，只显示十位的数字。然后当=0时显示百位的数字，再显示十位的数字，就这样的有周期性地扫描。当扫描频率较高时，我们看到的三位稳定的显示数字。在该电路中，由C1决定扫描频率，故C1不能取得太大，不然数码管的显示会出现闪烁。（3）限流电阻的选取V C E =2V，则 显示译码电路中的限流电阻，三极管的基极电阻和三极管的计算与选择可按图1-11所示的方法进行，设图中三极管V工作在放大区， R=200，RB=2.6K，三极管的=20。 实际的显示译码电路中，一个三极管要驱动一只数码管，即要驱动七只发光二极管，而且在扫描显示

11、中，数码管的每段电流要大一些。设每段电流为15mA,基极电流由MC14553的输出驱动电流限制，设为1.3mA。这样，可算得R=133，取130，R3=1k，=15×71.380，在这里，选用的三极管的值要大于80，ICM 要大于105mA。5超量程指示电路的设计超量程指示电路如图1-12所示。图中由或非门构成的是一个基本的RS触发器。当MC14553在计数到1000个脉冲时，“OF”端 会输出一个正脉冲，RS触发器Q置1，LED亮，表示被测电容已超过999nF，这时的显示器读数已不再是被测电容的容量，在复位信号的作用下，Q端置0，等待下一次测量。 1-12 超量程指示电路6控制电路

12、的设计根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高。因此，可用图1-13所示的电路构成。 图1-13 控制电路振荡电路中在RS的条件下，振荡周期的估算式为1.8即有 1.8RC=4s取C=0.1uF,则R取22M。 由于MC14553在高电平清零时，位选择输出端都为1，将使显示器消隐，如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会觉察到有消隐现象。 四：安装与

13、调试1 按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路。2 在调试时，可以借助超量程指示电路，对各部分电路进行检查。3 在Cx处接入nF级校准电容，调节R2，使数码管显示的读书与校准电容的容量一致。4 接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果。再接入若干标称不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容计的工作情况。五：元件清单R: 2008, 2.7K4, 6.8K1, 10K1,91K2 , 22M2 电位器：5KC：1036 ，1041 ，4741 555： 2， MC14553：1，MC14511：1，CD4001：1LED：1，共阴七段显示器 CC-5101AG：3 PNP三

14、极管：85504 六：实验体会本设计只能测量nF级的电容，下面针对多量程进行设计。测试仪测量电容的测量范围为：100pF9900F，可分为8个量程。如图所示为数字式电容测试电路。该测试仪由时基脉冲发生器、单稳态触发器、加法计数器、译码、驱动器及LED发光数码管等组成。 时基脉冲发生器由IC1b(1/2 556)及R6、R7、R8、W1、W2、C2等组成，其输出的脉冲信号作为计数电路(IC3)所需要的计数脉冲。 单稳态触发器IC1a(1/2 556)与R3R5、Cx(待测电容)等组成，其输出的触发脉冲的宽度为td=1.1(R3R5)Cx，待测电容Cx越大，则触发脉冲的定时宽度越大，相应计数器IC

15、3的计数就越多。通过量程选择旋钮，可读出两位显示数字。 计数电路IC3采用双BCD加法计数器CD4518，IC4、IC采用BCD-七段锁存、译码驱动器CD4518，发光数码管LED采用与CD4511相配的共阴极数码管。 调节电路中的电位器W1、W2可校正该测试仪，以便得到9.09kHz和 0.909kHz的频率信号。电路中将选择开关K2置于位置“l”，将电位器W1和电阻R6短路，调节电位器W2，使电路输出周期为1.1ms (9.09kHz)的信号；然后将选择开关K2置于位置“2”，调节电位器W1，使电路输出周期为11ms(0.909kHz)的信号。1 传统电容计的工作原理。主要是充放电的工作原

16、理，电容是并连还是串连在回路里，并联的话是率除高频，串联的话是率除低频，还有降压电容。还有隔直的作用，一般做保护用！2数字万用表中测量电容的工作原理。电容检测时，利用万用表能直观准确地读出电容阻值。数字万用表有两大部分电路组成：数模转换电路与电容检测电路。数字万用表一般都有专用集成块，中低档万用表常用集成块L7106制成，只要完成将模拟量转换成数字量，其内部为积分型A/D转换器，用来将被测的模拟电压转换成四位BCD数字吗，相应的七段数码管和各段电平的ag同时输出，驱动液晶数码管显示出被测电压。电容测量电路的作用是：依据被测电容容量产生一个模拟电压，容量大则产生电压值高，容值量小则产生电压值小。

17、测量电容时，此电压送入模数转换电路经模数变换得出被测电容容量值。3显示译码器电路中，为什么用管作为选择开关？当GPRS低时，三极管发射结正偏，集电结反偏，工作在放大区，相当于集电结和发射结连通，这样，5.0V就和三极管的下面的电阻R10连通，电流流过LED发亮，当GPRS高时，发射结反偏，集电结反偏，工作在截至区，发射结和集电结之间几乎没有电流，相当于5.0V和R10断开，led等无法点亮。就是基极高电平时，N管一般为关，低电平时，N管开，开关三极管具有寿命长、安全可靠、没有机械磨损、开关速度快、体积小等特点。开关三极管可以用很小的电流，控制大电流的通断。为什么动态显示电路中七段显示译码器每段

18、的电流要大些？所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作点亮，但是利用人眼的的视觉暂留效应和发光二极管灭时的余辉效应，看到的却是多个字符同时显示。显示器亮度与 点亮使得导通电流有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。所以电流要大些。MC14553的3脚和4脚间接额电容C1取大了会出现什么现象？MC14553的3脚和4脚间接的电容C1取大了，数码管的显示会出现闪烁。因为震荡器提供多路数据选择的低频扫描时间脉冲，振荡器的震荡频率取决于C1的大小。6在超量程指示电路中，为什么要用或非门？由或非门构成的是

19、一个基本的RS触发器。当MC14553在计数到1000个脉冲时，在“OF”端会输出一个正脉冲，RS触发器的Q置“1”，LED灯亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置0，等待下一次测量。7在超量程指示电路中，若用pnp管，则电路如何连接？在如图所示的超量程指示电路中，发光二极管正负极交换，把介入的电源vcc改为-vcc。 8在单稳态电路输入端和MC14553清零输入端各有一个微分电路，它们各起什么作用？单稳态电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的作用是：使得单稳态电路只要靠输入VII的下降沿触发，定时时间与VII的低电平宽度无关。M

20、C14553清零输入端电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的作用由于MC14533在高电平清零时，位选择输出端都DS1DS3为1，将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会察觉到有消隐现象。9如图4-1所示电路中，负脉冲将给MC14553造成什么影响？如何克服? 答：当VR（-Vdd，0）时，VR和地之间导通，而与R不接触，清零信号消失，MC14553不计数。有负脉冲主要是CR放电时间不长。应选

21、择一个放电时间较少的电容。10在单稳态输入端加微分电路后有与上述清零电路类似的问题存在。如何克服？答：清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象，为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会觉察到有消隐现象。11:若微分电路的电阻取得很小（如只有1K ）会出现什么情况?答:由于TX=1.1Rx，如果取得太小,有可能使得电容数不能真实地测出电容值,使精度降低.12:若电源电压改用12V,则在电路设计上要做哪些修改?答:微分电路中的Cr要换掉,超量程显示电路中为使流

22、经发光二极管的电流不致太大,应增加限流电阻的阻值.三极管的参数也要在安全范围你。七、电路的进一步完善和改进：1在本设计的基础上，设计两通道进行选择，以减小误差：1u-20u一个通道，21u-99u未另一个通道。2可增加小数点的显示，改变设计的参数即可完成要求；3可增大该电容测试仪的检测范围。八、总结与体会简易数显式电容记的设计让我们从理论走向实践。在连接电路的板的过程中遇到一些问题。开始接线还是比较顺利的，但是调试出现了问题，然后就一个仪器一个仪器的检查是否接线出了问题。最后发现数码管的接线很多错了，而且并联线许多没接，导致数码管只有一个可以显示。在重新接线后，调式发现第一个数码管还是不能够正常显示，后面2个可以显示正常，但是频率非常大，觉得应该是电容出了点问题。再经过一遍检查后，发现接线是没有问题了，但是第一个数码管还是不能正常显示数字。然后交换第一个与第二个数码管的位置，发现原先第一个的那个数码管在第二位上还是不能正常显示。最后才知道数码管坏了，其中真的是走了不少弯路。数码管的频率太高我们开始是真的没弄好，当时我自己觉得是多谐振荡器的电容有错误，到实验室，老师指导我们说，104与103的电容接反了，改过之后频率