數(shù)字式電容測量儀.doc

1、北 華 航 天 工 業(yè) 學(xué) 院 電子技術(shù) 課程設(shè)計報告報告題目： 數(shù)字式電容測量儀 作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業(yè)： 電子信息工程 作者所在班級： B09212 作 者 姓 名 ： 惠歡歡 作 者 學(xué) 號 ： 20094021231 指導(dǎo)教師姓名： 崔瑞雪 完 成 時 間 ： 2011年6月1日 課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱數(shù)字式電容測量儀的設(shè)計完成時間6.01指導(dǎo)教師崔瑞雪職稱講師學(xué)生姓名惠歡歡班 級B09212總體設(shè)計要求和技術(shù)要點設(shè)計一個數(shù)字式電容測量儀電路，要求如下：1能測量10F-990F范圍內(nèi)的電容量。2用兩只LED數(shù)碼管構(gòu)成數(shù)字顯示器。數(shù)碼管用來顯示后兩位，均用十進(jìn)制數(shù)表示，

2、即數(shù)字顯示器可顯示出的最大數(shù)字和最小數(shù)字分別為99和0。|3數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量CX的函數(shù)關(guān)系是 N=Cx/(10F)4在正常工作條件下，測量電路接上CX后數(shù)字顯示器便可自動顯示出數(shù)字，即不需要測試者進(jìn)行清零、啟動之類的操作，便可正常顯示。響應(yīng)時間Tx不超過2s，即接上CX后，在2s之內(nèi)，顯示器所顯示的數(shù)字N符合上述函數(shù)關(guān)系，其誤差的絕對值在給定器件的前提下盡量小。5、在正常測量范圍內(nèi),顯示數(shù)目應(yīng)當(dāng)清晰,但允許有所閃動。6若被測電容超過990uF，則數(shù)碼管呈全暗狀態(tài)，發(fā)光二極管呈亮狀態(tài)，表示超量程。7測量電路應(yīng)有被測電容器的兩個插孔，并標(biāo)上符號“+”和“-”?！?”端電位瞬時值

3、不低于“-”端電位的瞬時值，而且它們之間的開路電壓瞬時值最大不超過5.5V。工作內(nèi)容及時間進(jìn)度安排第15周：周1-周4 立題論證方案設(shè)計周5預(yù)答辯第16周：周1-周3 仿真實驗周4-周5驗收答辯課程設(shè)計成果1與設(shè)計內(nèi)容對應(yīng)的軟件程序2課程設(shè)計報告書內(nèi) 容 摘 要 電容具有隔直流同交流的能力，在電子電路中是十分重要的元件，電容的容值在電路設(shè)計中是一重要因素。由于在使用一段時間后，電容容值與出廠是所標(biāo)注的值有所偏差，這就需要設(shè)計儀器去測量電容容值。傳統(tǒng)的測量方法都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數(shù)，此方法不夠直觀。本課題主要介紹了數(shù)字電容測量儀的原理和設(shè)計思想。它由測試電路和顯示電路兩部分組

4、成。在測試電路中555定時器做多諧振蕩器，它通過電容配合電阻充放電產(chǎn)生一系列的方波脈沖，通過計數(shù)器記數(shù)算出電容的值，最后通過數(shù)碼管顯示被測電容的容值。設(shè)計的電容測量儀的測量范圍是10uF990Uf，顯示的數(shù)值N是0099，數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量CX的函數(shù)關(guān)系滿足關(guān)系 N=Cx/(10F)。當(dāng)被測電容值超出990uf時，數(shù)碼管呈全暗狀態(tài)，發(fā)光二極管呈兩狀態(tài)，表示超出量程。該電容測量儀相對比較直觀，且誤差較小，將在電容測量方面顯示出它讀數(shù)方便，精確的優(yōu)越性。關(guān)鍵字：測脈法 脈沖 數(shù)顯 電容 目 錄一、 概 述 1二、方案設(shè)計與論證2 1測脈寬法1 2測頻法2 3測壓法2三、單元電路設(shè)

5、計與分析31時鐘脈沖發(fā)生電路 32閘門信號產(chǎn)生電路 3 3計數(shù)脈沖產(chǎn)生電路44計數(shù)電路 55鎖存器 56譯碼器 6四、總原理圖及元器件清單 6五、結(jié)論 6六、心得體會 6七、參考文獻(xiàn) 6 一、概述本方案通過555定時器夠成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使被測電容Cx產(chǎn)生一個CP脈沖（閘門信號），使閘門信號控制另一個由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，使其產(chǎn)生與Cx相對應(yīng)的一系列CP脈沖。通過74LS160|、74LS161計數(shù)器來測CP脈沖的個數(shù)，然后經(jīng)過74LS273八D觸發(fā)器鎖存其數(shù)據(jù)，最后通過74LS48譯碼器，使七段數(shù)碼管顯示其數(shù)值N(N=Cx/10uf)。用兩只LED數(shù)碼管構(gòu)成數(shù)字顯示器。數(shù)碼管用來顯示

6、后兩位，均用十進(jìn)制數(shù)表示，即數(shù)字顯示器可顯示出的最大數(shù)字和最小數(shù)字分別為99和0。在正常工作條件下，測量電路接上CX后數(shù)字顯示器便可自動顯示出數(shù)字，即不需要測試者進(jìn)行清零、啟動之類的操作，便可正常顯示。響應(yīng)時間Tx不超過2s，即接上CX后，在2s之內(nèi)，顯示器所顯示的數(shù)字N符合上述函數(shù)關(guān)系。Cx的測量范圍為10uF990uF,當(dāng)Cx超出量程時七段數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二機(jī)極管發(fā)光，表示超量程。 測量電路有被測電容器的兩個插孔，并標(biāo)上符號“+”和“-”。“+”端電位瞬時值不低于“-”端電位的瞬時值，而且它們之間的開路電壓值最大不超過5.5V。二、方案設(shè)計與論證數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的

7、方式來顯示被測電容的值，從而判斷電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的設(shè)計指標(biāo)，它的設(shè)計要點可分為兩部分：一部分是CX容值測試電路，另一部分是LED顯示電路，使數(shù)碼顯示與CX符合N=Cx/(10F)的函數(shù)關(guān)系。能滿足上述設(shè)計功能可以實施的方案很多，現(xiàn)提出下面三種參考方案。1測脈寬法測脈寬法的基本原理如圖1所示，利用單穩(wěn)或電容充放電規(guī)律等，將電容容量變換成與其正比的脈沖寬度，即Tx與Cx成正比。只要把此脈沖寬度Tx和標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相與，便可得到與Tx成正比的計數(shù)脈沖fx，如果時鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，便可實現(xiàn)題中所要求的函數(shù)關(guān)系，因此本課題選擇了測脈寬法來測量電容值。圖1 測脈寬法的原理框圖2測頻法

8、測頻法的基本工作原理是：將圖1中的門控信號作為標(biāo)準(zhǔn)門控信號，將待測電容作為時鐘脈沖發(fā)生器的一部分，在一定條件下，發(fā)生器的輸出頻率與電容值是線性關(guān)系，只要標(biāo)準(zhǔn)門控信號參數(shù)合適，測出時鐘脈沖發(fā)生器的頻率就可測出電容值。3測壓法測壓法的基本原理是：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示。典型測壓法設(shè)計方案如圖2所示。圖2測壓的原理框圖本設(shè)計選擇了測脈寬法，用閘門信號來控制時鐘信號產(chǎn)生的CP脈沖個數(shù)，使其來反映被測電容Cx的數(shù)值。用測脈寬法得到的數(shù)值比較容易通過數(shù)碼管來顯示，可省去數(shù)碼轉(zhuǎn)換而且誤差相對比較小。三 、單元電路設(shè)計與分析1時鐘脈沖發(fā)生電路圖3-a中的U1為由

9、555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。它在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動的產(chǎn)生矩形脈沖。此電路中用來產(chǎn)生時鐘脈沖信號（如圖3- b所示）。電源接通后，VCC通過電阻R1、R2向電容充電，當(dāng) =2/3VCC時，因為2端與6端相連，則有=V6，使比較器C1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓V0=0。同時，放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容電壓下降至1/3VCC時，比較器C2工作，輸出電壓V0變成高電平，C放電終止，VCC通過電阻R1，R2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與電容充放電時間有關(guān)，充電時間為：，放電時間為，則時鐘信號一個周期為。 圖3-a時鐘脈沖發(fā)生電路 圖3-b時鐘脈沖信號產(chǎn)生波形

10、2閘門信號產(chǎn)生電路圖4-a中的U2為由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。2端作為觸發(fā)信號的輸入端，由U1產(chǎn)生的時鐘脈沖信號來提供。它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。在外界脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動返回到穩(wěn)態(tài)。這段時間稱為暫穩(wěn)態(tài)時間取決于外界R、C的值。即：。U2產(chǎn)生的信號用來作為門控信號。圖4-a產(chǎn)生波形圖 圖4-b單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生波形3計數(shù)脈沖的產(chǎn)生電路根據(jù)計數(shù)原理列出參數(shù)關(guān)系：2 =，化簡得。調(diào)節(jié)、的值使其滿足關(guān)系。把由U1產(chǎn)生的時鐘脈沖信號與U2產(chǎn)生的門控信號相與，就能得到與成正比的計數(shù)脈沖（如圖5所示）圖5-a 計數(shù)脈沖的產(chǎn)生電路 圖5-b計數(shù)脈沖

11、產(chǎn)生的波形4計數(shù)電路74LS160是同步四位十進(jìn)制加法計數(shù)器，74LS161是十六進(jìn)制計數(shù)器。功能表均如圖6-a所示圖6-a 74LS160、74LS161功能表74LS160所計數(shù)為個位，74LS161所計數(shù)為十位。74LS160的EP和ET端都接高電平，74LS161的EP和ET端均接74LS160的進(jìn)位端RCO。兩個計數(shù)器的CLK信號均由計數(shù)脈沖提供，MR和LOAD均接閘門信號，D3、D2、D1、D0均低電平。 圖6-b 計數(shù)器連接圖當(dāng)閘門信號到來時，計數(shù)器開始工作。每來一個時鐘信號74LS160開始計數(shù)，當(dāng)?shù)?是進(jìn)位信號為1，74LS161開始工作計一次數(shù)，直到閘門信號變?yōu)?時停止計數(shù)

12、。5鎖存器在電路設(shè)計中需要鎖存2個4位二進(jìn)制數(shù),由于 74LS273是八D觸發(fā)器，能同時鎖住8位數(shù),所以選擇使用74LS273。它具有異步控制端的功能。其引腳圖如7-a所示。由于74LS273是在上升沿觸發(fā),要想在閘門信號從1變?yōu)?的時候鎖存,就必須把閘門信號通過一個反相器后作為CLK信號。其MR端接高電平。被鎖存信號由D0到D7輸入，輸出結(jié)果由QO到Q7引出。如圖7-b所示。 圖7-a 74LS273引腳示意圖 圖7-b 74LS273接線圖6譯碼器此電路中譯碼器選用集成電路74LS48。它是BCD七段字型譯碼，具有滅零輸入端的功能。74LS48的引腳圖如下圖8-a所示。使用時3、5端都接高

13、電平，4端是滅零輸入端，當(dāng)4為高電平時74LS48控制的顯示管呈暗狀態(tài)，不顯示數(shù)。ABC端接輸入信號，abcdefg輸出端用來驅(qū)動顯示器。如圖8-b所示。 圖8-a74LS48引腳圖 圖8-b用74LS48驅(qū)動顯示器連接7顯示器電路中顯示器用的是7SEG共陰極顯示器。器原理圖如圖9-a所示，公共端接地，當(dāng)輸入端為高電平的時候，二極管亮，顯示相應(yīng)的數(shù)字。 圖9-a 顯示器原理圖 圖9-b 74LS48驅(qū)動顯示器原理圖四總原理圖及元器件清單1總原理圖元件序號l Quantity Description Reference_ID Package 1 1uF C1 AXIAL180 2 10nF C2

14、,C3 0603 1 LED D11 30K R1 RES180 1 300 R2 RES180 1 3.84K R4 RES180 1 1K 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 DIL142元器件清單五、結(jié)論經(jīng)過Proteus7.5sp3仿真軟件仿真后，可以得到結(jié)論：當(dāng)電容的取值在10uF990Uf時，LED用來顯示后兩位，均用十進(jìn)制數(shù)表示，顯示的數(shù)值N是0099中的一值，數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測電容量的函數(shù)關(guān)系是 N=/(10F)。當(dāng)被測電容值超出量程時數(shù)碼管呈滅零狀態(tài)，報警二極管發(fā)光。六、收獲與體會1.掌握了數(shù)字電容測量儀的工作原理。理論聯(lián)系實踐，實踐反饋理論，以前學(xué)過的知識得以回顧。2.但是調(diào)試遇到了很大的問題。輸入被測電容運(yùn)行后，最初顯示的是正確容值，經(jīng)過一段時間后，數(shù)碼管會發(fā)生跳變，有時跳變值跟理論值相差很大。但是最終通過我們一