[畢業(yè)設計精品]簡易數(shù)字電容表設計

1、電子技術課程設計題目: 簡易數(shù)字電容表設計 學生姓名： 專 業(yè)： 學 號：班 級：指導教師：成 績：學 校： 2011年 11月目 錄1 摘要32 設計內(nèi)容及要求33 系統(tǒng)所需元器件34 方案論證44.1 方案一44.2 方案二74.3 最終方案95 數(shù)字電容表各模塊電路設計及說明105.1元器件選擇說明105.2脈沖發(fā)生電路設計145.3電容計數(shù)電路設計155.4顯示電路設計166 數(shù)字電容工作原理及設計電路167 protues仿真測試 208 硬件調(diào)試與測試249 結論 2510 收獲、體會2511參考文獻25（簡易數(shù)字電容表設計）1 摘要 在科學技術高速發(fā)展的今天,各種電子儀器層出不窮

2、,也日益的完善,乃至完美.大電容測量儀亦是如此,品種繁多,功能完善.下面所設計的是一種精度較高，操作簡便的電容測量儀。此電容表設計是基于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容c成正比，把電容c轉換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計數(shù)器計標準頻率脈沖的個數(shù)，并送鎖存-譯碼-顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)1.5倍行距2 設計內(nèi)容及要求（1）利用給定的元器件設計一個能測量并顯示電容容值大小的數(shù)字電容表；（2） 用3位數(shù)碼管顯示；（3） 測量范圍100pf105pf，誤差小于10% 。（4）在計算機上用multisim仿真優(yōu)化。（5）在萬能板(孔孔板)上安裝、調(diào)試。3系統(tǒng)所需元器件1、 cd

3、4511 三塊2、 cd4093 一塊3、 ne555 兩塊4、 共陰數(shù)碼管 3個5、 10k滑動變阻器1個6、 電阻：470兩個、10一個、250一個7、 電容：0.1uf四個、100pf兩個、1m三個、6.5m一個8、 cd4518 三塊4方案論證 方案一本方案可分為三大部分：產(chǎn)生脈沖部分；：計數(shù)部分；：顯示部分；：產(chǎn)生脈沖部分使用兩片ne555產(chǎn)生標準脈沖和待測脈沖,根據(jù)參考ne555的資料說明設計了如下圖的電路：1、標準脈沖產(chǎn)生電路圖：產(chǎn)生標準脈沖圖像：2、待測脈沖產(chǎn)生電路圖：產(chǎn)生待測脈沖圖像：參考公式： 計算高電位時間公式：t1=0.693(r1+r2)c1;計算低電位時間公式：t2

4、=0.693r2c1;計數(shù)脈沖周期公式：t=t1+t2；通過這三個公式，改變電容電阻的值即可改變波形大小及占空比。：計數(shù)部分計數(shù)部分選用三片cd4518來實現(xiàn)計數(shù)功能。同時還需要考慮對mr清零處理，這也是部分的關鍵之一。根據(jù)參考cd4518的資料說明以及查閱相關圖書電路設計了如右圖的電路用來實現(xiàn)計數(shù)功能：設計對mr的清零處理時花費較長的時間，實現(xiàn)清零最終目的其實就是要在一個待測周期開始計數(shù)前產(chǎn)生一個短時間的高電平來實現(xiàn)清零，然后一直為低電位直到下一個周期脈沖開始為止的脈沖輸入信號。如下圖：為了實現(xiàn)上圖所示的脈沖信號，我們采用了rc微分電路來實現(xiàn)，即將待測脈沖信號通過rc微分電路后即可形成。具體

5、電路及清零脈沖輸出波形如下：顯示部分顯示部分我們采用了三片cd4511分別驅動三個七段數(shù)碼管，這樣做的優(yōu)點就是數(shù)碼管不存在分時點亮的問題，缺點是實際線路變得比較復雜。與此同時，還有一個非常重要的難題就是控制如何控制led的顯示。我們通過查閱閱讀相關資料，總結出只要控制cd4511的le端的輸入脈沖可以解決這個問題。這個脈沖信號的圖像如下：接下來就要考慮如何產(chǎn)生這個脈沖信號，我們用的是rc微分電路結合cd4093與非門來實現(xiàn)。具體分析是：將待測脈沖輸入信號通過一個與非門的兩個輸入端，相當于通過了一個非門，這樣實現(xiàn)了高低電位的反轉。之后將通過非門后的脈沖信號接入到rc微分電路中，獲得上升沿脈沖，最

6、后將其接到另一個與非門中就得到了需要的脈沖信號。具體電路圖如下：產(chǎn)生脈沖信號波形如下：完成了以上三部分的設計，方案一就基本成型。方案二本方案也可分為三大部分：產(chǎn)生脈沖部分；：計數(shù)部分；：顯示部分；：產(chǎn)生脈沖部分采用集成度相對較高點的ne556,ne556實質上是兩片ne555的集合，因此，在原理上并沒有太多差異，只是接口標號不同而已。這里就不再贅言。：計數(shù)部分：計數(shù)部分采用一片mc14553來完成。區(qū)別于用cd4511，mc14553使用更加方便，功能也有所增加。不過，想要實現(xiàn)對mr的清零處理也要相應的改變。具體電路圖如下：顯示部分為了配合mc14553，我們采用了一片cd4511和三個七段數(shù)

7、碼管以及mc14553的三個數(shù)碼管點亮使能位集合起來來完成。這種方法最顯著的特點就是數(shù)碼管的分時點亮，需要考慮點亮時間間隔，以保證人眼能準確讀取數(shù)值。具體電路圖如下以上就是方案二。最終方案：經(jīng)過本小組長時間的討論，反復實踐檢驗，我們最終選擇第一種方案作為最終方案。理由有如下幾點：（一）：方案一相對于方案二雖然結構較復雜，元器件使用比較多。但實現(xiàn)起來方便，也便于控制調(diào)整。（二）：對于二個核心問題：1、mr清零；2、le顯示；我們發(fā)現(xiàn)用第一套方案能較為簡單快速實現(xiàn)，這也是選擇這套方案的主要原因。（三）：對于數(shù)碼管顯示而言，第二套方案種的分時點亮還存在點亮間隔過程導致讀書不完整的結果。而第一套方案數(shù)

8、碼管是一直點亮，不存在這樣的問題。5數(shù)字電容表各模塊電路設計及說明5.1元器件選擇說明1、ne5551.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。2.它的操作電源電壓范圍極大，可與ttl，cmos等邏輯電路配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。4.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。5.靜態(tài)電流 最大值 vcc = 5 v, rl = =6ma vcc =15 v, rl = =15ma采用如圖所示的接線方式我們得到了我們所需的脈沖和比較脈沖。

9、2、cd4518cd4518，該ic是一種同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進制計數(shù)器，其功能引腳分別為17和915。該計數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路bcd碼信號輸出（3腳6腳；11腳14腳）。cd4518有兩個時鐘輸入端cp和en，若用時鐘上升沿觸發(fā)，信號由cp輸入，此時en端應接高電平“1”，若用時鐘下降沿觸發(fā)，信號由en端輸入，此時cp端應接低電平“0”，不僅如此，清零（又稱復位）端cr也應保持低電平“0”，只有滿足了這些條件時，電路才會處于計數(shù)狀態(tài)，若不滿足則ic不工作。另外，該cd4518無進位功能的引腳電路在第十個脈沖作用下，會自動復位，同時

10、，第6腳或第14腳將輸出下降沿的脈沖，利用該脈沖和en端功能，就可作為計數(shù)的電路進位脈沖和進位功能端供多位數(shù)顯用。3、cd4511 cd4511是一個用于驅動共陰極led顯示器的譯碼器，具有bcd轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的cmos電路能提供較大的拉電流，可直接驅動led顯示器。鎖存功能：譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成，傳輸門的導通或截止由控制端le的電平狀態(tài)。當le為“0”電平導通，tg2截止；當le為“1”電平時，tg1截止，tg2導通，此時有鎖存作用。譯碼：cd4511譯碼用兩級或非門擔任，為了簡化線路，先用二輸入端與非門對輸入數(shù)據(jù)b、c進行組合，然后將輸入的數(shù)據(jù)a、

11、d一起用或非門譯碼。消隱：bi為消隱功能端，該端施加某一電平后，迫使b端輸出為低電平，字形消隱。4、cd4093 cd4093是cd系列數(shù)字集成電路中的一個型號，采用cmos工藝制造。cd4093 4與非門施密特觸發(fā)器由4個施密特觸發(fā)器構成。每個觸發(fā)器有一個2輸入與非門。當正極性或負極性信號輸入時，觸發(fā)器在不同的點翻轉。正極性(vp)和負極刑(vn)電壓的不同之處由遲滯電壓(vh)確定。5.2脈沖發(fā)生電路設計：課程設計提供了兩種可以產(chǎn)生脈沖的芯片：ne555和ne556。其實質是一樣的。在ne555或ne556的產(chǎn)品說明中已經(jīng)為我們提供了幾種能產(chǎn)生脈沖的電路。我們也就只需要參照其來進行驗證即可

12、。并且也提供了詳細的公式為我們調(diào)整脈沖參數(shù)帶來很大的方便。我們最終采用兩片ne555，其中一個用來產(chǎn)生標志脈沖，另一個則參數(shù)待測電容的脈沖。具體電路圖如下：圖的上部分為標準脈沖的產(chǎn)生機理，下部分為待測脈沖的接線原理5.3 電容計數(shù)電路設計電容計數(shù)選用三片cd4518來完成。同時還需要考慮對mr清零處理，這是設計的核心之一。根據(jù)參考相關的資料說明以及查閱相關圖書電路設計了如右圖的電路用來實現(xiàn)計數(shù)功能：cd4518為十進制的同步計數(shù)器，用三片4518分別計數(shù)是為了給后面譯碼顯示的模塊降低難度，4518分別控制一片4511，這樣工作原理簡單明了，控制過程中不會出現(xiàn)亂碼的情況，也不用考慮對數(shù)的鎖存，對

13、設計帶來的很大的方便。這個模塊是顯示模塊的前提，如果該模塊出了問題，即使顯示模塊的功能是正確的也不能實現(xiàn)所需功能。所以在制作過程中得仔細，因為該模塊的接線也比較復雜。調(diào)試過程中也給我們很多的提示。5.4顯示電路設計為了能以十進制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字 系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七字符顯示器，或稱做七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。常見的七段字符顯示器有半導體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。半導體數(shù)碼管bs201的的每個線段都是一個發(fā)光二極管（led）。因此，也把它叫做led數(shù)碼管或led七段顯示器。發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管不同，半導體中的雜質濃度很高。當外加正電壓時，大

14、量的電子和空穴在擴散的過程中復合，其中一部分電子從導帶躍遷到價帶，把多余的能量以光的形式釋放出來，便發(fā)出一定可見光。另一種常用的七段字符顯示器是液晶顯示器，簡稱lcd。液晶是一種既有液體流動性又有光學特性的有機化合物。它的透明度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場的影響，利用這一點便可作成字符顯示器。液晶顯示器的最大優(yōu)點就是功耗極小。半導體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用ttl或cmos集成電路直接驅動。為此，就需要使用顯示譯碼器將bcd代碼譯成數(shù)碼管所需要的驅動信號，以便使數(shù)碼管用十進制數(shù)字顯示出bcd代碼所表示的數(shù)值。相關參數(shù)計算1、矩形脈沖相關計算（參數(shù)按下圖）：計算高電位時間公式：t1=0.693(r1+

15、r2)c1;計算低電位時間公式：t2=0.693r2c1;計數(shù)脈沖周期公式：t=t1+t2；6數(shù)字電容工作原理及設計電路（一）工作原理：兩片ne555分別產(chǎn)生標準脈沖和待測脈沖，標志脈沖接入到cd4518同步加計數(shù)器中進行計數(shù)。由于待測脈沖的周期長度正好與待測電容值成正比，所以不同的待測電容有不同的待測脈沖。而待測脈沖集合rc微分電路以及cd4093與非門正好可以用來控制mr的清零和le的顯示功能。總體上而言，就是要產(chǎn)生如下的四組脈沖信號：（二）電路圖整體框圖7、protues仿真測試第一檔位：讀寫需乘以10測試電容為10000pf測試電容為100pf測試電容為500pf測試電容為3200pf

16、待添加的隱藏文字內(nèi)容1測試電容為8500pf第二檔位：讀寫需乘以100測試電容為30000pf測試電容為75000pf8 系統(tǒng)調(diào)試與測試使用的主要儀器和儀表；示波器、萬用表、5v直流電壓源調(diào)試電路的方法和技巧；排除干擾法，逐一檢查法測試的數(shù)據(jù)和波形并與計算結果比較分析。測試470pf,顯示048，及480pf，誤差為2%測試3300pf,顯示363，及3630pf，誤差為10%實測標準脈沖待測標準脈沖調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法。1、 接觸不良2、 引腳接線錯誤3、 焊接過程中，接觸時間過長，導致芯片燒壞4、 地線與電源線之間容易短路，故障排除方法:1插上電源線與地線看是否能啟動，排除短路

17、的可能。2看數(shù)碼管是否正常顯示，數(shù)碼管顯示正常，說明4511譯碼顯示部分沒有錯誤。3 用示波器觀察555輸出的波形，如果波形正確則555部分沒有問題，如出現(xiàn)錯誤則說明引腳接線錯誤或是焊接過程中芯片損壞4如果以上部分均無錯誤，則說明4518出現(xiàn)錯誤。故障解除方法：1檢查出如果是接線錯誤或是引腳接錯則重新焊接接線。 2檢查如果是輸出波形不對或是無法正常顯示則換相應的芯片。9 結論本次設計基本完成（在誤差范圍內(nèi)），設計制作的一個簡易數(shù)字電容表。在制作的過程中，遇到了很多的問題，同時也學到了很多，也懂得了如何與同學團結合作共同完成任務。設計初期，通過查閱各種芯片的資料和簡易數(shù)字電容的工作原理，初步確定

18、了制作方案。制作方案確定后開始了仿真，仿真過程中出現(xiàn)了很多問題，也正是不斷的解決這些問題，制作的方案才日漸成熟。在仿真已經(jīng)成型并且實現(xiàn)的誤差不大時，我們便開始了硬件部分的制作，剛開始以為硬件部分的制作應該會很快而且不會有很大問題，可是結果卻恰恰相反。當我們信心滿滿的開始焊接時才發(fā)現(xiàn)焊接的過程是很重要的，也是會很容易出問題的，一旦引腳接錯就不能實現(xiàn)功能，而且檢查起來也會比較困難。果然，第一次焊接好的實物是個失敗品，不能實現(xiàn)功能，而且外行業(yè)不能入目。無奈，我們又得重新焊接。最終在前一次經(jīng)驗和后一次的更加仔細，認真檢查中做出來了。這更加證明了理論與實踐的差別。實踐的過程中喲偶很多外界的干擾和誤差，這

19、個是在理論中沒法考慮到的。10 收獲與體會收獲： 深入了解了制作所用的那幾款芯片的功能、引腳接線、工作原理，特別是對555的研究，雖然數(shù)字電路中友講過它的工作原理和用法，但是也還不是很了解，在制作過程中才真正理解了，理論聯(lián)系實踐能更好的幫助我們學習。基本掌握了設計不同功能的單元電路以及他們的安裝和調(diào)試方法，知道了在電路設計中要基于單元電路的基礎上，設計具有不同用途和一定工程意義的電子裝置。在這過程中不僅深化了我們所學的理論知識，同時培養(yǎng)了綜合運用能力，增強了獨立分析與解決問題的能力。訓練了嚴肅認真的工作作風和學習態(tài)度，給以后從事電子電路設計和研制電子產(chǎn)品大下初步基礎。懂得了如何以團隊的形式去完成一件作品，在幾個人一起努力去完成一件事的時候是會出現(xiàn)一些意見不和等等，但是大家擁有共同目標，有討論才有進步，而且這種也可以說是一種共同進步，共同學習吧。體會：剛拿到課題時很迷茫，不知道該如何下手，經(jīng)過老師的講解還有查閱相關資料，對數(shù)字電容表的工作原理有了大概的了解。之后就開始著手看所用的各種芯片的資料，并開始在proteus中進行仿真。