数字电容测量仪-课程设计
电气与自动化工程学院课程设计评分表
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说明：主要记录答辩时所提的问题及答辩人对所提问题的回答
常熟理工学院电气与自动化工程学院
课程设计说明书
课程名称：电子技术课程设计
设计题目：电容测量仪_____________
班级：ZB62161
姓名：吴彬
学号：ZB6216123
指导老师：施健
设计时间：2017-1-11
目录
一．设计目的 (1)
二．设计思路 (1)
三．设计框图 (1)
（1）设计过程 (1)
（2）多谐振荡器的设计 (2)
（3）单稳态触发器电路的设计 (2)
（4）计数电路的设计 (3)
四．整体电路设计 (4)
五．系统调试 (5)
六．仿真结果 (5)
七．设计心得 (6)
八．参考文献 (7)
数字电容测量仪的设计
一．设计目的
（1）了解常用数字集成电路的使用。
（2）了解电容测量仪的工作原理。
（3）掌握利用数字式集成电路设计电容测量仪的原理和Multisim调试的方法。
二．设计思路
本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。
三．设计框图
图1 数字电容测量仪原理图
四．设计过程
（1）多谐振荡器电路的设计
振荡器是数字电容测量仪的核心，振荡器的稳定性以及其所产生的基准频率的稳定性决定了数字电容测量仪的精确度。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器如果图2所示。
555组成多谐振荡器的工作原理如下：
接通电源Vcc后，Vcc经电阻R
1和R
2
对电容C充电，其电压U
C
由0按指数
规律上升。当U
C ≥2/3V
CC
时，电压比较器C
1
和C
2
的输出分别为U
C1
=0、U
C2
=1，基
本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U
0跃到低点平U
oL
。与此同时，放电管V
导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C放电，
Uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C
1和C
2
的输出为U
c1
=1、U
c2
=0，基本RS 触
发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U
0由低点平U
oL
跃到高电平Uo
H
。同时，因Q’=0，
放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R
1和R
2
对电容C充电。电路又返回前一个
暂稳态。
图2 555组成多谐振荡器
（2）单稳态触发器电路的设计
单稳态触发器所产生波形用于控制计数，由555定时器组成的单稳触发器，它既为下级的多谐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。
单稳态触发器的工作特特性具有如下特点：
第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；
第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动回到稳态；
第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。
在图3所示的单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制的，接通开关S2，单稳态电路产生一个控制脉冲，输出脉冲的宽度等于暂稳台的持续时间，即
Tw=1.1RCx，它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，使得显示的数字为被测电容容值大小的R倍。
图3单稳态触发器电路原理图
（3）计数电路的设计
74LS160D是用于快速计数的内部超前进位，具有n位级联的进位输出，同步可编程序，有置数控制线，二极管箝位输入，直接清零，同步计数。
图4 计数电路原理图
四．整体电路设计
图5总体电路图
这个电路设计用到了8个电阻丝，5个电容，三个数码管，3个十进制计数器，
三个数码管，2个555波谐振荡器，1个反相器，1个与门，3个单刀双掷开关。
五．系统调试
0.001uF-2uF档位电路图调试：我们将开关S1打到R3=960kΩ调试
0.001uF-2uF档位，显示的数字为被测电容容值大小的R倍，将一个位于
0.001uF-2uF范围的标准电容接到测试端，我们以0.01uF为例，接通开关S2，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉冲宽度为Tw=RCxln3= 1.1RCx，它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，如果现实的数字不是10，则说明时钟脉冲的频率不符合要求，我们可以调节R1的大小重复上述步骤，直到符合要求为止。经过调试我发现当R1=515Ω合要求为止。经过调试我发现当R1=515Ω时最为合适。
六．仿真结果
当S1打到R3=960kΩ，即选择0.001uF-0.1uF档位时，当被测电容为0.1uF 时，仿真结果如下图：
图6被测电容为0.1uF的仿真结果
当S1打到R4=100kΩ，即选择0.1uF-1.3uF档位时，当被测电容为0.5uF 时，仿真结果如下图：
图7 被测电容为0.5uF的仿真结果
仿真结果分析
当S1打到R3=960kΩ，即选择10.001uF-0.1uF档位时，当被测电容为0.1uF 时，数码显示管显示的数字为98，存在2%误差；当S1打到R4=90kΩ，即选择0.1uF-1.3uF档位时，当被测电容为0.5uF时，数码显示管显示的数字为47，存在3%的误差，但是是在误差的允许范围内。所以，设计的数字电容测量仪基本合格。
七．设计心得
通过这个课程设计，不仅加深了我对原本所学知识的认识与理解，而且又让我学习到了许多新的知识，在设计仿真中，遇到了许多困难与挫折，当我发现仿真设计完之后却不能运行时感到十分的迷茫，不知道自己错在哪里，但当询问了其他同学并且在网上查阅了许多资料后才发现原来是自己对于元器件的理解有误。课程设计时很累，但是收获也很多。比起劳累，知识的收获更加令我欣喜。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考并且解决问题，出现差错是的虽惊不乱。对于我来说，收获最大的是自己主动去解决问题，并在不断的错误中总结解决方法，学会去分析问题出现的原因，以及应该从哪个部分去解决，当无法出现正确结果是，需耐心的检查电路，因为大多数出问题都是因为一两根线没接或接错的问题。总体来说，通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端。
八．参考文献
[1] 康华光.电子技术基础数字部分（第五版)[M] 北京:高等教育出版社, 2006.
[2]王立欣，杨春玲主编.《电子技术实验与课程设计》[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.98-99
[3]金唯香，谢玉梅主编《电子科学与技术与技术》长沙：湖南大学出版社，2004.