利用Multisim設計電容測量電路(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、概述隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會進入高科技時代，而以電子元件組成的電器在生活中被運用的越來越廣泛，大至航空航天技術(shù)，小到手機、電子手表等等。而這些電器都是由一些電容、電阻等元器件組成。特別是電容在這些電路中的作用，因此電容的大小的測量在電容使用過程中必不可少，測量電容的大小的辦法也越來越多，并且多樣化、高科技化。當然，測量的結(jié)果應該保持較高的精確度和穩(wěn)定性，不僅如此，還應兼顧測量速度快等要求。目前應用比較普遍的方法有電橋法測電容、容抗法測電容、基于NE555的RC充放電原理等等，而此次課程設計采用的是基于NE555的RC沖放電原理。用2片NE555芯片分別接成

2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，將待測電容接入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，將電容的大小轉(zhuǎn)換成一定的脈沖寬度，在這個脈沖寬度內(nèi)的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)經(jīng)過計數(shù)器的計數(shù)、鎖存后用數(shù)碼管顯示出來。因此可以直接計算出待測電容的大小，并且達到精確度比較高（±10%）、測量數(shù)值較為穩(wěn)定，量程可控制（0.2uF20uF）的要求，而且所設計的電路比較簡易，所用的都是一些常用的元器件，電路連接簡單不繁雜。本設計報告由方案論證、電路設計、性能測試、結(jié)論、性價比、課程設計體會及合理和建議等部分組成，另外還附有參考文獻、總電路圖和元器件清單。二、方案論證本設計方案采用的是基于NE555的RC充放電原理的脈沖寬度測量法，本設

3、計的主要由測量電路、計數(shù)鎖存電路和顯示電路三部分構(gòu)成。測量電路核心就是由2片555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器組成，計數(shù)電路由3片74LS160構(gòu)成的計數(shù)器和2片74LS273構(gòu)成的鎖存器組成，顯示電路由3片內(nèi)部自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管（DCD_HEX）組成。脈沖寬度測量法的系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在待測電容上的充放電的規(guī)律，將電容的大小轉(zhuǎn)換成輸出信號的脈沖寬度，再將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號和多諧振蕩器的輸出信號一起接入一個與門，與門的輸出信號中脈沖寬度內(nèi)的脈沖個數(shù)通過3片十進制計數(shù)器計數(shù)后輸入到2片鎖存器，最后由鎖存器輸入到自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管，數(shù)碼顯示管所顯示的數(shù)值就

4、是脈沖個數(shù)。由于初始相位不定和傳輸?shù)臅r間差等原因，第一個顯示的數(shù)字并不是準確的脈沖個數(shù)，而準確的數(shù)值大小為顯示穩(wěn)定后的數(shù)值。由于本方案大多采用的是數(shù)字元器件，因此對外界的干擾信號有著很強的抵抗能力，而用容抗法測電容由于采用許多模擬元器件，只要外界存在有一定強度的干擾信號，就會使測量結(jié)果發(fā)生較大的改變。不僅如此，外界的溫度也會對模擬元器件產(chǎn)生很大的影響，而在實際生活中的多外界環(huán)境不如在實驗室環(huán)境。采用本方案的設計電路則可以大大的減少上述條件對電路測量的影響，從而提高測量準確度，適用于大多數(shù)環(huán)境。圖1 系統(tǒng)功能框圖本設計由于是采用計數(shù)器直接計數(shù)，經(jīng)鎖存器鎖存后輸入數(shù)碼管進行顯示，省去了信號直接的轉(zhuǎn)

5、換，使相對誤差減小。三、電路設計 電路設計包括了兩大部分，總電路圖見附錄I?？紤]到實際生活中的需要，因此設計了能將日常生活用電轉(zhuǎn)換成5V的直流電，轉(zhuǎn)換電路圖如圖2。圖2 5V直流電流源這個電路將日常生活所用的電經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波后，輸出的電壓為穩(wěn)定的5V直流電，將此輸出的電壓為電路中所有元器件提供穩(wěn)定的電流。第二大部分又分為三個小部分，分別是測量電路部分、計數(shù)鎖存電路部分以及顯示電路部分。首先是測量電路部分，電路圖如圖3所示，此部分由2片555定時器連成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器組，上面的555定時器為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，下面的為多諧振蕩器。多諧振蕩器3端輸出的單位脈沖信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2

6、端的輸入信號。圖中為待測電容，接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中。由于電容的充放電，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個脈寬與待測電容大小成正比的脈沖信號。這個信號經(jīng)過一個非門后作為鎖存器的時鐘信號。而多諧振蕩器的輸出單位脈沖信號和單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過一個與門后作為計數(shù)器的時鐘信號進行計數(shù)。 圖3 測量電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號的脈寬計算公式如下：當值固定時，與的大小成正比。越大，在時間內(nèi)通過與門的脈沖數(shù)就越多，數(shù)碼管所顯示的數(shù)字就越大。多諧振蕩器的振蕩周期的計算公式如下：考慮到設計要求中量程為0.2uF20uF,令為0.2uF。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3端輸出信號和多諧振蕩器輸出信號經(jīng)過與門后的信號滿足：經(jīng)過整理得： 適當?shù)倪x

7、取、和的值，使，則數(shù)碼管所顯示的數(shù)值為與的比值。這樣我們就可以直接計算出的大小了。例如，當待測電容為1uF時，多諧振蕩器輸出信號、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號、非門輸出信號、與門輸出信號如圖4所示。圖4 待測電容為1uF時各輸出信號波形上圖中的波形自上至下分別為單穩(wěn)態(tài)輸出信號、非門輸出信號、多諧振蕩器輸出信號、與門輸出信號。其次是計數(shù)鎖存電路部分，本部分電路圖如圖5所示。圖5 計數(shù)鎖存電路 計數(shù)器74LS160N是一個同步十進制加法計數(shù)器，上升沿有效。其管腳圖如圖6所示。圖6 74LS160N管腳圖其中A、B、C、D端接地，QAQD為輸出端連接鎖存器的輸入端，RCO為進位輸出端，ENP、ENT為計數(shù)控

8、制端，LOAD為同步并行置入端，CLR為異步清零端，CLK為時鐘信號輸入端。其功能真值表如表1所示，計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表2所示。表1 74LS160功能真值表CLKCLRLOADENPENT工作狀態(tài)×0×××清零10××預置數(shù)×1101保持×11×0保持1111計數(shù)表2 74LS160狀態(tài)轉(zhuǎn)換表計數(shù)順序電 路 狀 態(tài)等效十進制數(shù)進位輸出QAQBQCQD00000001000110200102030011304010040501015060110607011170810008091001901010100

9、1多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的信號經(jīng)過與門后，作為計數(shù)器的時鐘信號，而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號作為計數(shù)器的清零信號。計數(shù)控制端都接高位，由圖4可知單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號處于高電平，計數(shù)器開始計數(shù)。經(jīng)過一個脈沖寬度后清零端輸入為低電平，計數(shù)器清零。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號重新為高電平時，計數(shù)器又從0開始計數(shù)，以此一直循環(huán)。因此計數(shù)器輸出的數(shù)值為一個固定的值。本設計方案中，由于量程為0.2uF20uF,因此要計數(shù)的數(shù)值將達上百，因此用3片74LS160N連成計數(shù)可以從0到999的電路。將第一片的進位輸出端連接到第二片的計數(shù)控制端，而第二片的進位輸出端連接到第三片的計數(shù)控制端以達到設計要求。鎖存器74L

10、S273是一個8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，其是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，管腳圖如圖7所示。圖7 74LS273N管腳圖功能表如表3所示。表3 74LS237功能表輸 入輸出CLRCLKDQ0××011110010×保持前態(tài)其中D1D8為輸入端，連接計數(shù)器；Q1Q8為輸出端，連接數(shù)碼管；CLR為主清除端，低電平觸發(fā)，即當輸入為低電平是，芯片被清除，輸出全為0；CLK為鎖存控制端，上升沿觸發(fā)，即當CLK輸入信號從低電平到高電平時，數(shù)據(jù)通過芯片，當輸入信號為低電平時，數(shù)據(jù)將被鎖存，不論輸入端D1D8數(shù)據(jù)如何改變，輸出端Q1Q8數(shù)據(jù)不變，從而達到鎖存功能。因此CLR接高電平，

11、使鎖存器一直處于工作狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號通過非門后的輸出信號作為鎖存器的鎖存信號，其目的是在計數(shù)器在一個脈沖寬度時間內(nèi)計數(shù)后，清零之前將數(shù)據(jù)進行鎖存，以此達到顯示的數(shù)字呈穩(wěn)定狀態(tài)。最后的顯示電路由3片自帶譯碼器的數(shù)碼顯示管組成，其管腳圖如圖8所示。圖8 數(shù)碼顯示管用3片數(shù)碼顯示管分別顯示個位、十位和百位的數(shù)值。數(shù)碼管顯示的數(shù)值是經(jīng)過計數(shù)器的計數(shù)，鎖存器鎖存后的數(shù)值。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號的脈沖寬度固定且多諧振蕩器輸出信號的頻率不變，因鎖存器鎖存的數(shù)一直為固定值，固數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)不變。四、性能測試 首先是對5V電流源電路進行測試，測試電路如圖9所示，仿真數(shù)據(jù)如圖10所示，其測試數(shù)據(jù)

12、如表4所示。圖9 電源測試電路圖10 5V電壓源輸出波形圖表4 5V電壓源測試數(shù)據(jù)表頻率（HZ）阻值（M）電壓（V）103500.4975.004其次是對總電路分別用2uF、4uF、6uF、8uF、10uF、12uF、14uF、16uF、18uF和20uF電容作為待測電容進行測試，選其中3個電容進行測試，結(jié)果如下，相對誤差的計算公式為：相對誤差 = | 測試值- 真實值 |/真實值。測試電容為2uF時顯示的數(shù)值如圖11所示，各輸出波形如圖12所示。圖11 測試電容為2uF時顯示的數(shù)值圖12 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設計的原理，得出測試結(jié)果為1.8uF，相對誤差為10%

13、，符合設計要求。測試電容為8uF時顯示的數(shù)值如圖13所示，其個輸出波形如圖14所示。圖13 測試電容為8uF時顯示的數(shù)值 圖14 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設計的原理，得出測試結(jié)果為8.4uF，相對誤差為5%，符合設計要求。 測試電容為20uF時顯示的數(shù)值如圖15所示，各輸出波形如圖16所示。圖12 測試電容為20uF時顯示的數(shù)值圖16 單穩(wěn)態(tài)輸出、非門輸出、多諧振蕩器輸出、與門輸出根據(jù)設計的原理，得出測試的結(jié)果為20.2uF，相對誤差為1%，符合設計要求。將上述3個測試結(jié)果和其它7個數(shù)據(jù)記入下表：表5 所有測試數(shù)據(jù)待測電容（uF）實際測量（uF）相對誤差21.810%

14、43.85%65.83.3%88.45%1010.44%1212.43.3%1413.62.8%1615.62.5%1817.62.2%2020.21%五、結(jié)論 當待測電容接入電路后，在2秒左右即可顯示出數(shù)值。而且當電容取0.2uF到20uF時，數(shù)碼管顯示的數(shù)值應該是000到100中的一個值。相對誤差是一直存在的，避免不了，因為數(shù)據(jù)的傳輸以及器件的反應都需要消耗一定的時間。本方案所設計的電路不足之處就是測量的結(jié)果產(chǎn)生的相對誤差雖然在設計要求范圍之內(nèi)，但是相對誤差的變化較大，一部分是器件本身和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，另一部分應該是多諧振蕩器與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器沒有選用一組合適的電阻值。有時候待測電容為某個特定

15、的值時，產(chǎn)生了比較大的誤差，這個誤差產(chǎn)生的原因應該是元器件之間產(chǎn)生了某種影響。還有一個現(xiàn)象就是在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的一個脈沖寬度內(nèi)單位脈沖個數(shù)比數(shù)碼管顯示的個數(shù)多一，這個現(xiàn)象應該是由于鎖存時間過早造成的，理論上只要接入延時電路，而且這個延時的時間長度應該控制在一個比較小的范圍內(nèi)，否則會造成更大的誤差。不過總的來說已經(jīng)達到了設計要求。六、性價比本設計采用的555定時器、74LS160、74LS273、與門、非門和數(shù)碼顯示管組成，測量精度達到0.2uF，量程可以從0.2uF到1999.8uF。測量的數(shù)值可以直接用數(shù)碼顯示管顯示出來，直觀而且穩(wěn)定電路基本上由數(shù)字元件組成，因此對于外界環(huán)境存在的影響抵抗

16、能力比較大，因此性能較用容抗測量法完善。由于科技的發(fā)展，市場上各種中規(guī)模集成芯片售價也較為低廉，而且質(zhì)量可以得到保障。價格方面，目前市場上555定時器芯片的售價大概是1.52元，74LS160的售價大概是1元，74LS237的價格11.5元，數(shù)碼管大概是22.5元，非門1元，與門1元，所以整個電路造價并不是很高，但性能卻不低，而且電路所占的空間很小，是性價比較高的一直設計。七、課設體會及合理化建議經(jīng)過一個多星期的課設，掌握了很多課本以外的知識，也發(fā)現(xiàn)了很多不足之處。如何將學到的知識運用到實際設計中是一個很重要的環(huán)節(jié)，電路設計過程中，有時候為了達到某種效果，有許多不同的方法，但是各個方法又有許多

17、不同之處，因此還要考慮這個方法對整個電路會產(chǎn)生什么樣的影響。還有就是元器件選擇的問題，例如555定時器芯片就有4種左右，每一種在主要的特征上都是相同的，但是一些小細節(jié)上又有不同。在設計過程中通過需求去尋找相應的資料也是一個很重要的環(huán)節(jié)，資料的尋找方法有很多，可以網(wǎng)上尋找，也可以去圖書館尋找相關的資料，這就要求我們應具有很強的自學能力。其實關于設計課題的建議，個人認為設計方向應該著重與實際生活中，使設計實際化、多方面化。參考文獻1 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎. M北京：高等教育出版社，2006年2 童詩白、華成英編. 模擬電子技術(shù)基礎. M北京：高等教育出版社，2006年3 高吉祥編.電子技術(shù)基礎實驗與課程設計.M北京：電子工業(yè)出版社, 2002 4 陳明義編.電子技術(shù)課程設計實用教程.M湖南：中南大學出版社，2002 5 崔瑞雪編.電子技術(shù)動手實踐.M北京：北京航空航天大學出版社， 20076 李秀人編.電子技術(shù)實訓指導.M北京：國防工業(yè)出版社，20067 周立清編.全國大學生電視設計競賽教程.M北京：電子工業(yè)出版社，20118 周立清編.Multisim&Ulyiboard10