田龍-論文參考范本

1、Comment U1: 論文中的所有英文、阿拉伯數(shù)字都用 Times New Roman 字體Comment U2: 黑體三號Comment U3: 黑體三號注意：打印出來下劃線不能有重疊Comment U4: 中文字體：宋體三號；數(shù)字字體：Times New Roman 三號。學科代碼： 070201 學 號： 2010405282 本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文(或設計或設計)題目：數(shù)字電容測試儀的設計題目：數(shù)字電容測試儀的設計學學 院：院： 物理與電子工程學院物理與電子工程學院 專專 業(yè)：業(yè)： 物理學物理學 班班 級：級： 2010 級級( (1) )班班 學生姓名：學生姓名： 田田 龍龍 指

2、導教師：指導教師： 潘南紅潘南紅 2014 年 03 月 31 日Comment U5: 宋體小三加粗，居中Comment U6: 中文字體：宋體小四； 英文、數(shù)字字體：Times New Roman，小四單倍行距注意：本頁頁碼凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）目目 錄錄摘 要.II關鍵詞.IIAbstract.IIKeywords .II0 引言.11 電路設計.21.1 系統(tǒng)框圖.21.2 555 定時器原理.21.2.1 電路組成.21.2.2 工作原理.31.3 標準計數(shù)脈沖電路設計.41.3.1 多諧振蕩器的組成及原理.41.3.2 標準計數(shù)脈沖電路設計.51.4 窄脈沖發(fā)生電路設計.6

3、1.4.1 RC 微分電路原理.61.4.2 窄脈沖發(fā)生電路設計.61.5 主測量電路設計.71.5.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的組成及原理.71.5.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路設計.81.5.3 量程選擇電路設計.91.6 計數(shù)電路設計.101.6.1 74LS192 的功能及原理.101.6.2 計數(shù)器電路設計.101.7 鎖存電路設計.111.7.1 74LS175 的功能及原理.111.7.2 鎖存器電路設計.121.8 顯示電路設計.122 電路總圖.133 Multisim 仿真.133.1 仿真.133.2 仿真結果分析.154 總結.16參考文獻.17Comment U7: 黑體三號，居中；行

4、間距：40 磅；段前、段后：0 行Comment U8: 宋體小四； 行距：1.5 倍段前、段后：0 行Comment U9: 宋體小四，1.5 倍行距Comment U10: 關鍵詞之間用 ；號隔開Comment U11: Times New Roman，三號加粗，居中Comment U12: Times New Roman，小四，1.5 倍行距Comment U13: 中、英文摘要，關鍵詞宋體小四加粗，放在同一頁內。注意：本頁頁碼凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）I數(shù)字電容測試儀的設計數(shù)字電容測試儀的設計田 龍(凱里學院物理與電子工程學院 貴州 凱里 556011)摘摘 要要：本設計以 555

5、 定時器、十進制計數(shù)器 74LS192、鎖存器 74LS175、七段數(shù)碼顯示器為主要元件，通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在負窄脈沖的作用下產生門控脈沖，根據(jù)輸出脈沖寬度來控制計數(shù)器進行選擇性計數(shù)，從而確定通過計數(shù)器的標準計數(shù)脈沖的個數(shù)。通過設計合理的電路參數(shù)，使計數(shù)值與被測電容相對應。然后經過鎖存器和數(shù)碼顯示器就可以得到待測電容的數(shù)值。關鍵關鍵詞：詞：電容測試儀；555 定時器；門控脈沖；計數(shù)；鎖存；Multisim 仿真The Design of Digital Capacitor TesterTIAN Long( School of Physics and Electronic Engineering

6、, Kaili University, Kaili Guizhou 556011 ) Abstract: The design uses the 555 timer, decade counter 74S192, latch 74LS175, seven-segment digital display as the main component, generates gating pulses by the one-shot pulse in a negative narrow role, controls the counter to count selectivly according t

7、o the output pulse width, which is determined by counting the number of standard pulse counter. Through rational design of circuit parameters, the count value is corresponding to the measured capacitance. Then you can get the value of the capacitance through a latch and a digital display. Keywords :

8、Capacitor tester; 555 timer; Gating pulse; Counting; Latch; Multisim simulationComment U14: 一級標題：中文字體：宋體小四加粗英文字體：Times New Roman，小四加粗行距：36 磅，段前、斷后：0 行Comment U15: 正文：中文字體：宋體小四英文字體：Times New Roman，小四行距：1.5 倍，段前、斷后：0 行凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）00 引言引言在初高中剛接觸到電容的時候，我們只知道電容具有隔直流通交流的作用，都沒有更深入的去了解電容，認識電容。電容的作用其實不僅僅是

9、隔直通交，它還有很多作用，比如將電容并聯(lián)在電路中起濾波的作用以及強電弱電兩系統(tǒng)通過電容器的耦合等等。它的這些作用就決定了它的地位，在如今的電子測試領域，沒有電容是不行的，電容是組成所有電子整機的重要基礎元件，同時也是用量最大的元件，它對于電子整機來說，相當于人體的器官，它是電子領域不可或缺的一部分。如今電子信息的高速發(fā)展，以及集成電路的高速發(fā)展，再加上電子領域越來越趨近于智能化，必將帶動電容等元器件向著片式化、微型化、高頻化發(fā)展。電容器的這種高速發(fā)展，必將推動電容測量技術的發(fā)展。在國內外，電容測試儀的發(fā)展大概經歷了三個階段：第一個階段，電容測試儀通常采用傳統(tǒng)的諧振法和電橋法來測量電容，其測量精

10、度比較低。在我們的日常生活中，有時只能用萬用表等測量工具對電容進行定性的分析。第二個階段，隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了精度較高的電容測試儀，但體積較大，反饋力較小，穩(wěn)定性一般。第三個階段，隨著集成電路的高速發(fā)展，以及電子領域越來越趨近于智能化，尤其是傳感器的出現(xiàn)，就有了測量結果精度高，穩(wěn)定性好，比較智能的電容測試儀。但這類儀器價格比較高，多用于工業(yè)以及教育事業(yè)。另外，在電路整機中，電容也是比較容易出現(xiàn)故障問題的一類元件，也是影響系統(tǒng)的可靠性與壽命最顯著的元件之一，而目前的電容測量儀器價格比較昂貴，因此，在我們的日常生活中，設計一款簡單，經濟，實用的電容測試儀是很有必要的。 Comment U16

11、: 二級標題中文字體：宋體小四加粗英文字體：Times New Roman，小四加粗行距：30 磅，段前、段后：0 行Comment U17: 居中，圖內文字字體：中文字體：宋體五號英文字體：Times New Roman，五號Comment U18: 圖題 居中序號用阿拉伯數(shù)字表示位置：位于圖的正下方字體：宋體小四加粗行距：1.5 倍，段前、段后：0 行凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）11 電路設計電路設計1.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由門控脈沖發(fā)生電路、標準計數(shù)脈沖發(fā)生電路、RC 微分電路、計數(shù)器、鎖存器和數(shù)碼顯示器構成。其中，門控脈沖發(fā)生電路即單穩(wěn)態(tài)控制電路是主要的測量電路，它是根據(jù)單

12、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度 tw是等于暫穩(wěn)態(tài)的時間，也就是定時電容 C 的充電時間，經過計算可得到 tw=1.1RC，即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖寬度 tw僅取決于定時元件 R、C 的取值，與輸入的觸發(fā)信號和電源電壓沒有關系1。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在負窄脈沖的作用下產生門控脈沖，根據(jù)輸出脈沖寬度來控制計數(shù)器進行選擇性計數(shù)，從而確定通過計數(shù)器的標準計數(shù)脈沖的個數(shù)。然后經過鎖存器和數(shù)碼顯示器就可以得到待測電容的數(shù)值。系統(tǒng)的結構框圖如圖 1 所示多諧振蕩器單穩(wěn)態(tài)控制電路待測電容計數(shù)器數(shù)碼顯示器鎖存器窄觸發(fā)脈沖反相器標準計數(shù)脈沖圖圖 1 系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)結構框圖1.2 555 定時器原理定時器原理1.2.1 電路組

13、成電路組成 由于本設計的核心電路是門控脈沖發(fā)生電路和標準計數(shù)脈沖發(fā)生電路，該核心電路均采用 555 定時器構成，所以根據(jù)本人所學知識和理解，對 555 定時器作以下簡單的介紹：如圖 2 所示，Ui1是電壓比較器 C1的輸入端，Ui2是電壓比較器 C2的輸入端。G1A、G2A構成 RS 觸發(fā)器，RST 為清零端。C1和 C2的參考電壓 U+和 U-由 VCC 經 3個 5 K電阻分壓給出2。若 CON 不外加Comment U19: 三級標題中文字體：宋體小四加粗英文字體：Times New Roman，小四加粗行距：28 磅，段前、段后：0 行凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）2電壓，則 C1電壓

14、，C2電壓，若 CON 外加電壓，則 C1獲得的電壓32CCVU3CCVU為 UCO，C2電壓為 UCO/2。輸出電路為 UO和 UD，UO最大為 VCC，UD可任意。圖圖 2 555555 定時器電路圖定時器電路圖1.2.2 工作原理工作原理如圖 2 所示：RST=0 UO=0 TD導通。RST=1，Ui12VCC/3，Ui2 VCC/3 UO=0 TD導通。RST=1，Ui12VCC/3，Ui2 VCC/3 UO=1 TD截止。RST=1，Ui1 VCC/3 UO與原狀態(tài)保持一致 TD與原狀態(tài)保持一致。1.3 標準計數(shù)脈沖電路設計標準計數(shù)脈沖電路設計凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）31.3.

15、1 多諧振蕩器的組成原理多諧振蕩器的組成原理多諧振蕩器的類型比較多，有門電路構成的多諧振蕩器、555 定時器構成的多諧振蕩器以及石英晶體構成的多諧振蕩器等，門電路構成的多諧振蕩器穩(wěn)定性較差，而石英晶體構成的多諧振蕩器精度高但不易控制得到想要的脈沖，加上系統(tǒng)要求不是很高，所以本設計選用經濟實用的 555 定時器構成多諧振蕩器，其原理圖如圖 3(a)所示： (a) (b)圖圖 3 3 多諧振蕩器原理圖及波形圖多諧振蕩器原理圖及波形圖其工作原理主要由電容的充電回路和放電回路實現(xiàn)， 起始狀態(tài)：UC=0 Q=1，Q=0 UO=UOH，TD截止。暫穩(wěn)態(tài) I：C 充電 Q=1，Q=0 UO=UOH，TD截止

16、。32CCCVU 自動翻轉 I：當時 Q=0，Q=1 UO=UOL，TD飽和導通。32CCCVU 暫穩(wěn)態(tài) II：C 放電 Q=0，Q=1 UO=UOL，TD飽和導通。自動翻轉 II：當時 Q=1，Q=0 UO=UOH，TD截止。即回到暫穩(wěn)態(tài)3CCCVU I3。其工作波形如圖 3(b)所示，其主要參數(shù)為：充電時間：tW1=0.7(R5+R6)CComment U20: 公式居中凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）4放電時間：tW2=0.7R6C振蕩周期 T：T= tW1+ tW2=0.7(R5+R6)C+0.7R6C=0.7(R5+2R6)C振蕩頻率 f：CRRTf6527 . 011占空比 q：65

17、6565651227 . 07 . 0RRRRCRRCRRTtqW1.3.2 標準計數(shù)脈沖電路設計標準計數(shù)脈沖電路設計本設計的標準計數(shù)脈沖發(fā)生電路是采用 555 定時器構成的多諧振蕩器產生，由于需要產生周期為 1ms 的標準計數(shù)脈沖，即 TS=1ms。所以由多諧振蕩器的振蕩周期 T=0.7(R5+2R6)C 可得：0.7(R5+2R6)C=1ms=110-3s取 C=0.1F=100nF=110-7F，得：0.7110-7(R5+2R6)=110-3473651043. 1107 . 01012RR取占空比 q=0.6 得：6 . 026565RRRRq由以上兩式解得：R5=2.87K，R6=

18、5.76K電路圖如圖 4 所示凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）5圖圖 4 標準計數(shù)脈沖電路標準計數(shù)脈沖電路1.4 窄脈沖發(fā)生電路設計窄脈沖發(fā)生電路設計1.4.1 RC 微分電路原理微分電路原理RC 電路有耦合與微分的作用。RC 網絡的時間常數(shù)為：TRC=RC。當標準計數(shù)脈沖的脈寬 TS遠小于 TRC時，RC 電路表現(xiàn)為耦合作用，輸出波形與輸入波形相差很??；但當輸入的標準計數(shù)脈沖的脈寬比較寬時，由于較大的平頂降落，從而使得輸出信號的脈寬變窄，此時 RC 電路表現(xiàn)為微分作用，輸出波形變?yōu)榧饷}沖4。1.4.2 窄脈沖發(fā)生電路設計窄脈沖發(fā)生電路設計單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號的脈沖寬度必須小于電路的輸出脈

19、沖寬度，否則電路將不能正常工作。所以就要設計一個窄脈沖發(fā)生電路。本設計采用 RC 微分電路將標準計數(shù)脈沖轉換成窄觸發(fā)脈沖。其電路圖如圖 5 所示圖圖 5 RC 微分電路電路微分電路電路凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）6取 R=10K，C=10nF 時，TRC=101031010-9s=110-4s TS，所以能夠滿足微分電路的要求將方波變?yōu)榧饷}沖。然后在通過兩個反相器就可得到負窄觸發(fā)矩形脈沖。其波形圖如圖 6 所示圖圖 6 窄觸發(fā)脈沖波形圖窄觸發(fā)脈沖波形圖1.5 主測量電路設計主測量電路設計本設計的主要測量電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)，其輸出脈沖寬度 tw嚴格與電容 C成正比，即 tw=1.1RC，

20、利用單穩(wěn)態(tài)的輸出脈沖作為門控信號，控制計數(shù)器對標準計數(shù)脈沖進行選擇性計數(shù)。1.5.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的組成及原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的組成及原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器也有很多種類型， 有門電路構成的積分型和微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及 555 定時電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。綜合考慮，555 定時電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相對來說比較穩(wěn)定，并且容易控制，所以本設計采用由 555 定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其原理圖如圖 7(a)所示：UIUCCccUO2VCC/3 (a) (b)圖圖 7 7 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理圖及波形圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理圖及波形圖凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）7其工作原理和多諧振蕩器差不多，它主要有兩個狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)和暫

21、穩(wěn)態(tài)。根據(jù)其充放電規(guī)律，在穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)之間相互轉變。穩(wěn)態(tài)UI=1 Q=0，Q=1 UO=UOL，TD導通 使 CX放電 UC=0，觸發(fā)器保持 UO=UOL。暫穩(wěn)態(tài)UI=0 Q=1，Q=0 UO=UOH，TD截止 CX開始充電 ，觸發(fā)器保持32CCCVU UO=UOH?；謴瓦^程UI=1 ，UO=UOH，TD截止 CX繼續(xù)充電，當時 回到穩(wěn)32CCCVU 32CCCVU 態(tài)，結束一個周期5。其工作波形如圖 7(b)所示其主要參數(shù)：輸出脈沖寬度：tw=1.1RXCX1.5.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路設計單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路設計本設計要求門控脈沖脈寬必須小于秒脈沖脈寬而大于計數(shù)脈沖脈寬，即1mstw1s。若取

22、RX=100K，當 tw=1ms 時，F(xiàn)FCX01. 0101101001 . 1101833當 tw=1s 時，F(xiàn)FCX10101101001 . 1153所以被測電容的范圍為 0.0110F電路圖如圖 8 所示：凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）8圖圖 8 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖1.5.3 量程選擇電路設計量程選擇電路設計本設計量程選擇電路是通過改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時電阻 RX來完成的。而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求門控脈沖的脈寬必須小于秒脈沖的脈寬而大于計數(shù)脈沖的脈寬，即1mstw1s，也就是固定了脈寬，改變電阻的同時電容值也相應的跟著改變，從而確定電容測量儀的量程，其電路圖如圖 9 所示

23、。檔位分析如下：圖圖 9 量程選擇電路量程選擇電路第一檔tw=1.1RXCX=1.1100 K（0.01F 10F）凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）9=110-3 1(s)數(shù)碼管顯示的數(shù)值單位為 0.01F第二檔tw=1.1RXCX=1.11 K（1F 1000F）=110-3 1(s)數(shù)碼管顯示的數(shù)值單位為 1F1.6 計數(shù)電路設計計數(shù)電路設計計數(shù)器的類型比較多，常見的 TTL 計數(shù)器有74LS160、74LS161、74LS90、74LS192 等等，由于本設計要求三位數(shù)字的顯示，利用十進制計數(shù)器進行級聯(lián)，便可得到所需的計數(shù)器，所以本設計選用功能比較強大的同步十進制可逆計數(shù)器 74LS192

24、。1.6.1 74LS192 的功能及原理的功能及原理74LS192 的管腳分布及功能表如圖 10 所示圖圖1010 74LS19274LS192 管腳分布及功能表管腳分布及功能表其功能原理如下：異步清零：當 CLR=1 時，完成無條件清零；當 CLR=0 時，其它輸入端才起作用。異步預置數(shù)：當 LOAD=0 時，進行異步預置，使輸出端 Q0Q3與數(shù)據(jù)輸入端D0D3相同。同步計數(shù)：當 CLR=0，LOAD=1 時，作用在 UP 上的 CP，使計數(shù)器進行加計數(shù)（此時 DOWN=1）；作用在 DOWN 上的 CP，使計數(shù)器進行減計數(shù)（此時 UP=1）。凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）10超前進位：當

25、加計數(shù)至 1001 后，在 UP 的低電平期間，CO 輸出低電平脈沖；當減計數(shù)至 0000 后，在 DOWN 的低電平期間，BO 輸出一個寬度約為 DOWN 低電平部分的低電平脈沖6。1.6.2 計數(shù)器電路設計計數(shù)器電路設計本設計需要一個千進制的計數(shù)器，所以選用同步十進制可逆計數(shù)器 74LS192 進行級聯(lián)得到所需計數(shù)器。由于 74LS192 的清零端為高電平有效，也就是清零端為高電平時，計數(shù)器執(zhí)行清零，所以只有清零端為低電平時才能進行計數(shù)，而由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生的門控脈沖，其對應的控制脈寬，即待測電容的充電時間對應的脈寬為高電平，所以需要將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生的門控脈沖接一個反相器，然后再接到計數(shù)

26、器的清零端，從而達到選擇性計數(shù)的目的。定時電阻一定時，在待測電容的充電時間內，通過計數(shù)器的標準計數(shù)脈沖的個數(shù)就等于待測電容值。其電路圖如圖 11 所示：圖圖 11 計數(shù)器電路圖計數(shù)器電路圖1.7 鎖存電路設計鎖存電路設計為使數(shù)碼管能夠穩(wěn)定顯示，本設計還需要一個鎖存電路在計數(shù)器完成一次計數(shù)后進行鎖存。1.7.1 74LS175 的功能及原理的功能及原理本設計選用 74LS175 作為鎖存電路，其管腳分布及功能表如圖 12 所示凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）11圖圖 1212 74LS17574LS175 管腳分布及功能表管腳分布及功能表74LS175 內部由四個 D 觸發(fā)器構成，其中 CLR 為

27、復位輸入端，異步清零。CLK為時鐘脈沖輸入端。D1D4為數(shù)據(jù)輸入端，Q1Q4為輸出端7。當 CLR=0 時，完成無條件清零。當 CLR=1，在 CLK 脈沖，鎖存器輸出與輸入相同，之后進入保持狀態(tài)，直到下一個 CLK 脈沖的到來。1.7.2 鎖存器電路設計鎖存器電路設計CLR=1 時，鎖存器 74LS175 在 CLK 脈沖觸發(fā)，同樣由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生的門控脈沖接反相器后進行控制，將輸入的數(shù)據(jù)并行地進行鎖存，直到下一個上升沿脈沖的到來，從而達到使數(shù)碼管穩(wěn)定顯示的目的。其電路圖如圖 13 所示圖圖 13 鎖存器電路圖鎖存器電路圖1.8 顯示電路設計顯示電路設計本設計的顯示電路采用 BCD-七段顯

28、示譯碼器 74LS48 直接驅動共陰極的半導體數(shù)碼管來實現(xiàn)。其電路圖如圖 14 所示凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）12圖圖 14 譯碼顯示電路圖譯碼顯示電路圖為了簡化電路，電路仿真時，譯碼顯示電路直接選用 Multisim 10 仿真軟件中的四管腳的 LED 虛擬元件。2 電路總圖電路總圖圖圖 1515 電路總圖電路總圖凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）133 Multisim 仿真仿真3.1 仿真仿真安裝并打開 Multisim 10 仿真軟件，按照圖 15 連接電路圖，然后改變被測電容 CX的大小進行仿真。當被測電容 CX=330nF 時，選擇第一個檔位，單位為 0.01F，數(shù)碼管顯示如下圖所

29、示當被測電容 CX=75nF 時，選擇第一個檔位，單位為 0.01F，數(shù)碼管顯示如下圖所示當被測電容 CX=5F 時，選擇第二個檔位，單位為F，數(shù)碼管顯示如下圖所示當被測電容 CX=12F 時，選擇第二個檔位，單位為F，數(shù)碼管顯示如下圖所示凱里學院本科畢業(yè)論文（或設計）14當被測電容 CX=125F 時，選擇第二個檔位，單位為F，數(shù)碼管顯示如下圖所示當測電容 CX=220F 時，選擇第二個檔位，單位為F，數(shù)碼管顯示如下圖所示圖圖 1616 電路仿真顯示圖電路仿真顯示圖3.2 仿真結果分析仿真結果分析圖圖 1717 各脈沖波形圖各脈沖波形圖如圖 17 所示，從上到下依次為標準計數(shù)脈沖波形圖、窄觸發(fā)脈沖波形圖、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形以及門控脈沖波形圖。由圖 16 的多次測量結果與圖 17 分析可得，本設計基本上能夠達到設計要求，被測電容在 0.1F 到 100F 之間時，測量結果比較準確，誤差在 5以內，而被測電容為 100F 以上時，誤差就