三位數(shù)字電容表.doc

電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題： 三位數(shù)字電容表 專業(yè)班級：新能源科學(xué)與工程 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015.7.11-7.15 常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院題目 三位數(shù)字電容表一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.使用交流220V單相供電，經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電，供給整個(gè)電路工作。2.電容表測量范圍1999F，使用3 位數(shù)碼管顯示。3.電路設(shè)有啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕。按啟動(dòng)按鈕后，電路開始測試，測試結(jié)束后，顯示待測電容值。按復(fù)位按鈕，電路復(fù)位，顯示值清零，準(zhǔn)備下一次測試。參考原理框圖圖1 原理框圖表示參考原理：采用間接法測量電容的容量。電容器的充電時(shí)間和其容量大小有關(guān)，容量大的電容需要的充電時(shí)間長；容量小的電容需要的充電時(shí)間短。當(dāng)選定固定電阻后，充電時(shí)間就與電容容量大小成正比。利用電容這一特性，將被測電容的充電時(shí)間作為門控信號，將基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路所提供的脈寬作為測量尺度，在被測電容充電時(shí)間的同時(shí)，將控制閘門打開，讓計(jì)數(shù)與顯示電路統(tǒng)計(jì)并顯示輸入計(jì)數(shù)器脈沖的個(gè)數(shù)，電容充電結(jié)束的同時(shí)將控制閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù)即為被測電容的容量。 二、方案設(shè)計(jì)與論證1因?yàn)殡娙萜鞯某潆姇r(shí)間和其容量大小有關(guān)，所以可以將待測電容放入電路中，通過測量電容充電時(shí)間來測量電容值，用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以單穩(wěn)態(tài)的高電平持續(xù)時(shí)間就是電容充電時(shí)間。2 用555定時(shí)器組成多諧振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖，作為單穩(wěn)態(tài)發(fā)生電路所提供的脈寬的測量標(biāo)準(zhǔn)測量尺度。3用計(jì)數(shù)器對一個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù)即為被測電容的容量。4基本原理計(jì)算公式三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.使用交流220V單相供電，經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電5V圖2 直流電5V2.555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器的工作原理：多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1（a）所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并聯(lián)后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于(1/3)Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使 電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出Uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把Uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間Tph的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=0.7（R1R2）C。由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)入第個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間Tpl的長短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)T放0.7R2C隨著C的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出Uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容C充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖1（b）所示為工作波形。根據(jù)Uc的波形圖可以確定振蕩周期為 T=Tpl+TphTph對應(yīng)充電時(shí)間 Tph=0.7（R1+R2）CTpl對應(yīng)放電時(shí)間 Tpl=0.7R2C振蕩周期 T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2）C振蕩頻率 f=1/T圖3 555多諧振蕩器3.555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)是電路有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端獲得一個(gè)脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，其長短取決于電路的參數(shù)值。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖2所示。圖中R，C為外接定時(shí)元件，輸人的觸發(fā)信號Ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出Uo為低電平，即無觸發(fā)器信號（Ui為高電平）時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平。在 Ui負(fù)脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3）Vcc，觸發(fā)信號，輸出Uo為高電平，放電管VT截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開始。 在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源VccRC地，對電容充電，充電時(shí)間T1.1RC，Uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容兩端電壓Uc上升到（2/3）Vcc后，6端為高電平，輸出Uo變?yōu)榈碗娖?，放電管VT導(dǎo)通，定時(shí)電容C充電結(jié)束 ，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)Uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來，又重復(fù)上述過程。工作波形如圖2（b）所示。輸出電壓Uo的脈寬tw=1.1RC。由于R的取值在幾百歐至幾兆歐之間，電容取值在幾百皮法到幾百微法。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個(gè)微妙到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%。由圖2（b）可知，如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，加入心的觸發(fā)脈沖（如圖2（b）中的虛線所示），則脈沖對電路不起作用，電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器。 （a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作電路 （b）工作波形高電平脈寬時(shí)間T=1.1*R1*C圖4 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4脈沖計(jì)數(shù)電路與數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)部分選用三片74LS192十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。同時(shí)還需要考慮對MR清零處理，這也是部分的關(guān)鍵之一。根據(jù)參考74LS192的芯片資料說明，以及查閱相關(guān)圖書電路設(shè)計(jì)了如右圖的電路用來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。對于MR的清零處理，其實(shí)就是要在一個(gè)待測周期開始計(jì)數(shù)前產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平來實(shí)現(xiàn)清零，然后一直為低電位直到下一個(gè)周期脈沖開始為止的脈沖輸入信號。圖5 74LS192引腳分布圖圖6 CD4511引腳分布圖圖7 脈沖計(jì)數(shù)與數(shù)碼顯示5.待測電容計(jì)算公式設(shè)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈寬時(shí)間為 T=1.1*R1*Cx多諧振蕩器脈沖周期為 t=0.7*(R5+2*R6)*C3單穩(wěn)脈寬下的脈沖個(gè)數(shù)為 D待測電容的值為 Cx=D*10(-6)所以可得下列等式： 所測的電容值默認(rèn)單位為uF四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖8 總原理圖1元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注R1R2R3R4R8/R9/R10電阻9.1k*2+9105.1k*23k51330111121C1Cf1Cf2電容100nF1uF10nF111U1/U2/U374LS1923U4/U5/U64511CD-5V3U7/U8/U9共陰極數(shù)碼管3U10A/U12A/U13A74LS003五、安裝與調(diào)試六、結(jié)論與心得本次的電子課程設(shè)計(jì)有一定的難度，雖然是兩個(gè)人合作，但是困難還是重重。我們被分配到的任務(wù)是三位數(shù)字電容表。老師第一節(jié)課大概講了一下我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思路，剛開始真的無從下手，通過查閱各種各樣的資料了解需要的元器件的引腳功能，自己通過看視頻學(xué)習(xí)Multisim軟件的使用方法，學(xué)習(xí)各種元器件的應(yīng)用方法。設(shè)計(jì)電路是最難的部分，所以我們先一部分一部分的進(jìn)行，先是555多諧振蕩器，然后是555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器，最后是數(shù)碼管。在軟件上仿真的時(shí)候因?yàn)閿?shù)碼管上多接了一個(gè)電阻，所以導(dǎo)致高位的計(jì)數(shù)器沒有示數(shù)。仿真結(jié)果出來后，為了減少誤差，我們又對多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻進(jìn)行調(diào)整，盡量減小誤差。前三天進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真模擬，后兩天進(jìn)行實(shí)物連接與硬件調(diào)試。這也是我們第一次接觸面包板，以前都是通過焊接來實(shí)現(xiàn)電路。用面包板最大的隱患就是可能會有虛接。所以我們做每一部分的時(shí)候都特別小心，井然有序，盡量不自亂陣腳。電路圖與實(shí)物圖之間還是有很大的差別的，要提前想好如何在面包板上擺放元器件的位置，盡量利用有限的面包板的空間，盡量減少交叉線，使整體看上去整齊一點(diǎn)。通過對課程設(shè)計(jì)的原理圖，來確定需要的功能模塊。再根據(jù)對應(yīng)模塊，來初步確定所需的器材。然后查找各個(gè)芯片的功能和建議電容表的工作原理，最終確定制作方案。本次方案的實(shí)施是有序進(jìn)行的，我們小組通過對每個(gè)功能模塊的討論和研究，盡量把每個(gè)功能模塊都做好，最后再將所有的功能模塊整合在一起。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路還是很清晰的，但是所需要的器件是比較多的，這就需要我們對每個(gè)器件的功能要深入地了解。就這樣，我們的仿真部分做得還算順利。在具體的硬件制作過程中就出現(xiàn)了一些問題。所需的器件較多，帶來的后果就是要連的線就多，如果器件的擺放位置不合理，就會使面包板的制作變得異常艱難。所以我們又進(jìn)行了一番討論最終定硬件安裝方案。在連實(shí)物圖的時(shí)候會出現(xiàn)各種各樣的情況，這是就要充分利用身邊現(xiàn)有的檢驗(yàn)器件，如萬用表，示波器。一定要善于借助儀器幫助分析判斷電路中所存在的問題，如活用萬能表，歐姆檔判斷所有的高低電平是否共線，芯片之間引腳連接是否有虛斷等（在檢測時(shí)可以用鉛筆標(biāo)出，方便下次查找），電壓檔的使用，都非常有用；然后就是示波器，分析動(dòng)態(tài)電位信息，但對于示波器自認(rèn)為用的不是很上手；函數(shù)發(fā)生器的使用等，有這些儀器能讓自己排除出許多可疑點(diǎn)，最終還是能找到原因的。（同時(shí)也一定要注意正確使用儀器）這樣做可以為以后的連線掃除障礙。在這次的實(shí)驗(yàn)中，也讓我充分明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。自己的能力是有限的，要善于與別人合作，發(fā)現(xiàn)別人身上的閃光點(diǎn)，進(jìn)而更加清楚的認(rèn)識自己，提升自己。在實(shí)驗(yàn)過程中，老師也給予了我們很多幫助，幫我們解決了很多困難。這次的實(shí)驗(yàn)讓我得到了一次很深刻的鍛煉，從仿真不出效果到最終的出效果，使己建立了信心；實(shí)物電路的波折不斷，虛心探討，主動(dòng)請教，從無奈躁動(dòng)、想放棄，到最后被迫熟悉儀器更多的使用，最后幫助2組檢查排除錯(cuò)誤的喜悅。更值得慶幸的是，了解