数字式电容测量仪的设计课程设计-word版

202x年数字式电容测量仪的设计课程设计-word版

北华航天工业学院

《电子技术》

课程设计报告

报告题目：___________ 数字式电容测量仪 ___________ 作者所在系部：电子工程系 __________________ 作者所在专业：_______ 电子信息工程 _______________ 作者所在班级：___________________________

作者姓名：_____________________________

作者学号：_______________________________________

指导教师姓名：___________________________

完成时间：2011年6月1日______________

202x年数字式电容测量仪的设计课程设计-word版课程设计任务书

202x年数字式电容测量仪的设计课程设计-word版

电容具有隔直流同交流的能力，在电子电路中是十分重要的元件，电容的容值在电路设计中是一重要因素。由于在使用一段时间后，电容容值与出厂是所标注的值有所偏差，这就需要设计仪器去测量电容容值。传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观。

本课题主要介绍了数字电容测量仪的原理和设计思想。它由测试电路和显示电路两部分组成。在测试电路中 555 定时器做多谐振荡器，它通过电容配合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，通过计数器记数算出电容的值，最后通过数码管显示被测电容的容值。

设计的电容测量仪的测量范围是 10uF~990Uf ，显示的数值 N 是 00~99 ，数字显示器所显示的数字N与被测电容量C X的函数关系满足关系 N=Cx心0卩F）。当被测电容值超出 990uf 时，数码管呈全暗状态，发光二极管呈两状态，表示超出量程。

该电容测量仪相对比较直观，且误差较小，将在电容测量方面显示出它读数方便，精确的优越性。

关键字：测脉法脉冲数显电容

目录

、概述 ,,,

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J J1

、方案设计与论

证 ,,,,,,,,J J J J J J 2

3

1．测脉宽法 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1 2．测频法 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2

3．测压法 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2

三

、

单元电路设计与分析 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3 1．时钟脉冲发生电路 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3 2．闸门信号产生电路 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3 3．计数脉冲 fX 产生电路 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4 4．计数电路 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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5

5 ．锁存器 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5

6．译码器 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,6

四、总原理图及元器件清单 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 6

五、结论 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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六、心得体会 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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七

、

参考文献 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,6

一、概述

本方案通过555定时器够成的单稳态触发器使被测电容Cx产生一个CP脉冲(闸

门信号)，使闸门信号控制另一个由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生与Cx相对应的一系列CP脉冲。通过74LS160、74LS161计数器来测CP脉冲的个数，然后经过 74LS273八D触发器锁存其数据，最后通过 74LS48译码器，使七段数码管显示其数值 N(N=Cx/10uf)。用两只LED数码管构成数字显示器。数码管用来显示后两位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为 99 和 0。在正常工作条件下，测量电路接上 C X 后数字显示器便可自动显示出数字，即不需要测试者进行清零、启动之类的操作，便可正常显示。响应时间 T x不超过2s，即接上C X后，在2s 之内，显示器所显示的数字 N符合上述函数关系。Cx的测量范围为10uF~990uF

当Cx 超出量程时七段数码管呈灭零状态，报警二机极管发光，表示超量程。

测量电路有被测电容器的两个插孔，并标上符号“+ ”和“ -” “ +”端电位

瞬时值不低于“-”端电位的瞬时值，而且它们之间的开路电压值最大不超过 5.5V。

二、方案设计与论证

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值，从而判断电

容器质量的优劣及电容参数。由给出的设计指标，它的设计要点可分为两部分：一部分是CX容值测试电路，另一部分是 LED显示电路，使数码显示与 CX符合N=Cx/（10卩 F）的函数关系。

能满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面三种参考方案。

1.测脉宽法

测脉宽法的基本原理如图1所示，利用单稳或电容充放电规律等，将电容容量变换成与其正比的脉冲宽度，即T x与C x成正比。只要把此脉冲宽度T x和标准脉冲信号相与，便可得到与T x成正比的计数脉冲f x，如果时钟脉冲的频率等参数合适，便可实现题中所要求的函数关系，因此本课题选择了测脉宽法来测量电容值。

图1测脉宽法的原理框图

2.测频法

测频法的基本工作原理是：将图1中的门控信号作为标准门控信号，将待测电容作为

时钟脉冲发生器的一部分，在一定条件下，发生器的输出频率与电容值是线性关系，只要标准门控信号参数合适，测出时钟脉冲发生器的频率就可测出电容值。

3.测压法

测压法的基本原理是：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

器转换成数字量显示。典型测压法设计方案如图 2所示。

图2测压的原理框图

本设计选择了测脉宽法，用闸门信号来控制时钟信号产生的CP脉冲个数，使其来反映被测电容Cx的数值。用测脉宽法得到的数值比较容易通过数码管来显示，可省去数码转换而且误差相对比较小。

三、单元电路设计与分析

1.时钟脉冲发生电路

图3-a中的U1为由555定时器构成的多谐振荡器。它在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。此电路中用来产生时钟脉冲信号(如图3- b所示)。电源接通后，VCC通过电阻R1、R2向电容C i充电，当％=2/3VCC时，因为2端与6 端相连，则有w=V6，使比较器C1输出翻转，输出电压 V0=0。同时，放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压v c下降至1/3VCC时，比较器C2工作，输出电压 V0 变成高电平，C放电终止，VCC通过电阻R1，R2又开始充电；周而复始，形成振荡。其振荡周期与电容充放电时间有关，充电时间为：T^(R1

R2)CIn2，放电时间为

T2 二 R2CIn2，则时钟信号一个周期为 T =T1 T2 =(R 2R2)CIn2。

2. 闸门信号产生电路

图4-a 中的U2为由555定时器构成的单稳态触发器。2端作为触发信号的输入端， 由U1产生的时钟脉冲信号来提供。它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界脉 冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回到稳态。这 段时间称为暂稳态时间取决于外界 R 、C 的值。即：t w=R 3

C X

l n3 = 1.1R 3

C x 。 U2产生 的信号用来作为门控信号

3. 计数脉冲f x 的产生电路

根据计数原理列出参数关系：

(C x /10C) (R • 2R 2)C In 2 =1.1R 3C X ，化简得

图3-b 时钟脉冲信号产生波形

图4-b 单稳态触发器产生波形

图3-a 时钟脉冲发生电路

图4-a f x 产生波形图

(R i +2R 2)I n2=11R 3。调节R 、R ?、R 3的值使其满足关系。

把由U1产生的时

钟脉冲信号与U2产生的门控信号相与，就能得到与 C X 成正比的计数脉冲…(如图5

4. 计数电路

74LS160是同步四位十进制加法计数器，74LS161是十六进制计数器。功能表均如 图6-a 所示

I D

EP

ET

工作伏奉

0 X

X

X

ftT n 1

1 1

X

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X 1

1 1

0 1

僅幷

X

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X

PL

1

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1 1

Hit

图 6-a 74LS160、74LS161 功能表

74LS160所计数为个位，74LS161所计数为十位。74LS160的EP 和ET 端都接高电平,

74LS161的EP 和ET 端均接74LS160的进位端RCO 两个计数器的CLK 信号均由计数脉 冲f x 提供，MR 和LOAD 匀接闸门信号，D3 D2 D1、D0均低电平。

图5-b 计数脉冲产生的波形

所示)

删X

图5-a 计数脉冲的产生电路 * L1&,：

当闸门信号到来时，计数器开始工作。每来一个时钟信号 74LS16 0开始计数，当到

9是进位信号为1, 74LS161开始工作计一次数，直到闸门信号变为 0时停止计数。

5. 锁存器

在电路设计中需要锁存2个4位二进制数，由于74LS273是八D 触发器，能同时锁 住8位数,所以选择使用74LS273它具有异步控制端的功能。其引脚图如 7-a 所示。

由于74LS273是在上升沿触发,要想在闸门信号从1变为0的时候锁存,就必须把闸 门信号通过一个反相器后作为 CLK 信号。其MR 端接高电平。被锁存信号由D0到D7输 入，输出结果由QO 到Q7引出

0? Dr 0^ Of % Dj (Xi Qj CP

6. 译码器

此电路中译码器选用集成电路 74LS4&它是BCD 七段字型译码，具有灭零输入端的 功能。74LS48的引脚图如下图8-a 所示。使用时3、5端都接高电平，4端是灭零输入 端，当4为高电平时74LS48控制的显示管呈暗状态，不显示数。 ABC 端接输入信号， abcdefg 输出端用来驱动显示器。如图 8-b 所示。

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q. % % ® ® o t 衙 no

图6-b 计数器连接图

如图7-b 所示

图7-b 74LS273接线图

图7-a 74LS273引脚示意图

7. 显示器

电路中显示器用的是7SEGft 阴极显示器。器原理图如图 9-a 所示，公共端接地, 当输入端为高电平的时候，二极管亮，显示相应的数字。

7 A a D b C c D d e LT f BIXRBO g

RBI

13 1 12 2 11 5

ID 土

9 15

14

5 C

图8-a74LS48引脚图

icria ib 3fc ]Fd Ve

图9-a 显示器原理图 四. 总原理图及元器件清单

1.总原理图

图9-b 74LS48驱动显示器原理图

图8-b 用74LS48驱动显示器连接

Kg

ii

2.元器件清单

兀件序号

Qua ntity Descriptio n Refere nce_ID

Package

1 1uF C1 AXIAL180

2 10 nF C2,C3

0603

1 LED

D1

1 30K Q R1 RES180 1 300 Q R

2 RES180 1 3.84 Q K R4 RES180

1 1K Q

R5,R6,

,R17,R18 RES180

2 555 U1,U2

DIL08

1 74LS160 U4 DIL14

1 74LS161 U3 DIL16

1 74LS273 U5 DIL20

2 74LS08 U7A,U7B DIL14

2 74LS48 U9,U10 DIL16

1

74LS04 U6 DIL14

1 7474

U13

DIL14

mu 皿

--

■ V …

F Tffi 1

~ U4 丄

五、结论

经过Proteus7.5sp3仿真软件仿真后，可以得到结论：当电容的取值在10uF~990Uf 时，LED 用来显示后两位，均用十进制数表示，显示的数值 N 是 00~99 中的一值，数字显示器所显示的数字 N与被测电容量C X的函数关系是N=C x心0卩F）。当被测电容值超出量程时数码管呈灭零状态，报警二极管发光。

六、收获与体会

1.掌握了数字电容测量仪的工作原理。理论联系实践，实践反馈理论，以前学过的知识得以回顾。

2.但是调试遇到了很大的问题。输入被测电容运行后，最初显示的是正确容值，经过一段时间后，数码管会发生跳变，有时跳变值跟理论值相差很大。但是最终通过我们一起思考，使电路得到了很大的改善。

3.更重要的是学会了使用陌生器件

4.课程设计不但检验了我们这学期来所学的知识，锻炼了我们的动手实践能力和对问题的分析、思考能力，还教会我们要善于发现错误、改正错误。我会带着这种探索的精神和认真思考的态度去对待今后的学习。

七、参考文献

【 1 】电子技术动手实践主编崔瑞雪张增良北京航空航天大学出版社

【 2】数字电子技术基础主编阎石高等教育出版社