簡易數(shù)字式電容測試儀設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

1、簡易數(shù)字式電容測試儀設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)要求1、要求能夠測試電容的容量在100PF到100uF范圍內(nèi); 2、至少能設(shè)計(jì)制作兩個(gè)以上的測量量程;3、用三位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。 二、設(shè)計(jì)的作用、目的很多電子產(chǎn)品中，電容器都是必不可少的電子元件,它在電子設(shè)備中充當(dāng)整流器的平滑濾波、電源的退耦、交流信號(hào)的旁路、交直流電路的交流耦合等。固定電容的容量可直接從標(biāo)稱容量上讀出，而可調(diào)電容的容量則不確定,因此，設(shè)計(jì)一個(gè)簡易電容測試儀作為測量工具是有必要的。 三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 1系統(tǒng)概述利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成輸出脈沖的寬度,即控制脈沖寬度Tx與Cx成正比。只要將此脈沖作為計(jì)

2、數(shù)器的控制信號(hào)，便可得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),然后再經(jīng)譯碼器送至數(shù)碼管顯示。時(shí)鐘脈沖可由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供.如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)碼管顯示的數(shù)字N便是Cx的大小。該方案的原理框圖如圖1所示. 圖1 電容測試儀原理框圖 2 單元電路設(shè)計(jì)與分析 2。1計(jì)數(shù)譯碼顯示電路（BCD譯碼器4511) 圖6 顯示器外引線排列圖及接法 2。2時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路多諧振蕩器是一種自激振蕩器,在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖。先將555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，再將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC積分電路接回到它的輸入端即可構(gòu)成多諧振蕩器，且其電容C的電壓Vc將在和之間反

3、復(fù)振蕩。其輸出的脈沖作為計(jì)數(shù)器的CP.555構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖和工作波形分別如圖7和圖8所示。 圖7 多諧振蕩器電路圖 圖8 多諧振蕩器工作波形555構(gòu)成的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器的最高輸出頻率為200KHz，電路的振蕩周期僅與外接元件R1、R2和C有關(guān)，不受電源電壓變化的影響。多諧振蕩器的主要參數(shù)：充電時(shí)間:放電時(shí)間：振蕩周期:占空系數(shù)：本單元電路中選取的元件參數(shù)為R1=3.3K，R2=1K，C=0。068uF，則T=0.252ms，符合電路工作的要求。2.3單穩(wěn)態(tài)控制電路單穩(wěn)態(tài)電路只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)電路可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫態(tài)，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來的穩(wěn)態(tài)

4、。單穩(wěn)態(tài)電路在此的主要功能是根據(jù)被測電容Cx的容量大小與其成正比的控制脈沖寬度Tx來控制計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間與VCC無關(guān),因此555組成的單穩(wěn)態(tài)電路可作為較精確的定時(shí)器。圖9和圖10為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖和工作波形. 圖9 單穩(wěn)態(tài)電路原理圖 圖10 工作波形該電路的工作原理如下：無觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài) 當(dāng)Vi=1時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即Vo=0,Vc=0.Vi下降沿觸發(fā) 當(dāng)Vi下降沿到達(dá)時(shí),Vo由0跳變?yōu)?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間在暫穩(wěn)態(tài)期間，三極管T截止，Vcc經(jīng)R向C充電.時(shí)間常數(shù)1=RC，Vc由0V開始增大，在Vc上升到2/3Vcc之前

5、,電路保持暫穩(wěn)態(tài)不變。自動(dòng)返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時(shí)間當(dāng)Vc上升至2/3Vcc時(shí)，Vo由1跳變0,三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)通，電容C經(jīng)T迅速放電，電壓Vc迅速降至0V，電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài).恢復(fù)過程當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后,電容C通過飽和導(dǎo)通的放電三極管T放電,經(jīng)過（35)后，電容C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。輸出脈沖寬度單穩(wěn)態(tài)電路的輸入觸發(fā)信號(hào)為下降沿有效,需要占空比很大的負(fù)窄脈沖信號(hào)來觸發(fā)。若用機(jī)械開關(guān)來觸發(fā)，由于開關(guān)的延時(shí)和抖動(dòng)，造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。這里選用多諧振蕩器來產(chǎn)生負(fù)窄脈沖信號(hào)。為了使觸發(fā)信號(hào)的占空比大,周期長,可選以下參數(shù)：R1=10M，R2=510,C=0.68uF,則占空比幾乎為1，重復(fù)周期為

6、4.76s。根據(jù)單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度tw和多諧振蕩器振蕩周期T之間的關(guān)系，可得被測電容為 （N為tw時(shí)間內(nèi)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù))，保持時(shí)鐘脈沖頻率不變，改變單穩(wěn)態(tài)電路的參數(shù)，即可測量不同容量的電容.為了保證測試的準(zhǔn)確度，可以設(shè)置三個(gè)檔位，分別如下：檔位量程單位元件參數(shù)1uF-100uF×0。1uFR=2.2K0.01uF-1uF×0.001uFR=225K100pF-0.01uF×10pFR=23M 3電路的安裝與調(diào)試按照整機(jī)電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試。計(jì)數(shù)、譯碼和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，個(gè)別情況會(huì)出現(xiàn)只計(jì)偶數(shù)或只計(jì)奇數(shù),是由于電源電壓不穩(wěn)定造

7、成時(shí)鐘脈沖的幅度過大，調(diào)節(jié)電源即可正常計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)部分不用大量調(diào)整。主要調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器和單穩(wěn)態(tài)控制電路。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的頻率不能太高，否則計(jì)數(shù)不精確,頻率太低，計(jì)數(shù)周期也太長，綜合考慮，可使頻率為幾百到幾千赫茲。單穩(wěn)態(tài)控制部分可用變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變輸出脈沖寬度，當(dāng)調(diào)到某個(gè)值時(shí),顯示器顯示的數(shù)字與該檔位倍率的乘積正好是電容標(biāo)稱值,則用固定電阻代替該變阻器,這樣誤差要小些。 調(diào)試正常后，選取了8個(gè)待測電容進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如下表3所示。被測電容標(biāo)稱值測量值測量誤差C1100pF(101)11*10pF10C23300pF（332）33610pF1。8%C30.01uF（103）10*0。001

8、uF0C40.033uF（333）34*0。001uF3%C50。68uF（684）678*0.001uF0.29%C61uF100。1uF0C747uF4700.1uF0C8100uF990*0。1uF1%表3 測試數(shù)據(jù) 四、心得體會(huì)及建議通過這x星期的課程設(shè)計(jì)，讓我體會(huì)到要想制作一個(gè)實(shí)用的電子設(shè)備要經(jīng)過很長時(shí)間的設(shè)計(jì)與調(diào)試，因?yàn)閷?shí)際與理論有很大的區(qū)別。在我們學(xué)習(xí)的過程中不僅考驗(yàn)了我們對知識(shí)的吸收和掌握,而且也考驗(yàn)了我們的細(xì)心和耐心.特別是電路的設(shè)計(jì)方案和調(diào)試過程中對參數(shù)的改進(jìn)，我深有體會(huì)。完成這次課程設(shè)計(jì)我覺得收獲很多，不但進(jìn)一步掌握了數(shù)電的知識(shí)及專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設(shè)計(jì)

9、能力及動(dòng)手能力。理論知識(shí)的不足在這次實(shí)踐中表現(xiàn)的很明顯,這將有助于我今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。五、附錄 元器件明細(xì)表：74LS161計(jì)數(shù)器三片74LS48譯碼器三片共陰型七段LED數(shù)碼管三個(gè)555定時(shí)器三片電阻：100、1K、5.1K、10K、100K、1M、10M 電容：100pF、3300pF、0.01uF、0.1uF、0。68uF、1uF、10uF、47uF、100uF六、參考文獻(xiàn)本設(shè)計(jì)原理：該測測試儀由數(shù)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼與LED數(shù)碼管顯示電路等組成。測量范圍為10nF900nF的電容器容量，誤差不超過±10。，數(shù)字顯示。轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,以其輸出的串行脈沖個(gè)數(shù)表示其所測數(shù).

10、標(biāo)定每個(gè)脈沖表示 的溫度增量，則050應(yīng)對應(yīng)輸出0500個(gè)脈沖，他的轉(zhuǎn)換速度應(yīng)小于50 ms，電源電壓為12 V.定時(shí)電路產(chǎn)生的定時(shí)寬度為50 ms的閘門脈沖電壓，一路經(jīng)微分電路對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，另一路直接加至數(shù)字式溫度傳感器SWC的K端，溫度采集驅(qū)動(dòng)后，即輸出串行脈沖，經(jīng)放大電路放大后，計(jì)數(shù)電路對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)譯碼器譯碼輸出驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)部分由3位動(dòng)態(tài)掃描計(jì)數(shù)器MC14553（介紹電子器件英文文檔的閱讀)為核心構(gòu)成,如圖3所示。其內(nèi)部3個(gè)負(fù)沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器以同步工作

11、方式級(jí)聯(lián)在一起,每位BCD計(jì)數(shù)器輸出端都有一個(gè)4位鎖存器,可將任意時(shí)刻的計(jì)數(shù)值加以儲(chǔ)存，并與多路轉(zhuǎn)換配合,完成3組計(jì)數(shù)器值的分時(shí)輸出。數(shù)字選擇器輸出提供輸出同步信號(hào),完成動(dòng)態(tài)顯示方式。由于循環(huán)掃描周期多在1ms左右，遠(yuǎn)小于人的視覺暫留時(shí)間，所以可以得到穩(wěn)定的數(shù)字顯示.圖3電路中，計(jì)數(shù)器的11腳為計(jì)數(shù)端，當(dāng)他為高電平時(shí)，MC14553的12腳標(biāo)準(zhǔn)脈沖不能加入，所以NE555的輸出經(jīng)過C3,R5組成的微分電路后,產(chǎn)生一個(gè)正尖脈沖電壓，通過清零端13腳先對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，同時(shí),MC14553閂鎖解除,開始對數(shù)字式傳感器SWC輸出的標(biāo)準(zhǔn)串行脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，等11腳再輸入高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器又閂鎖，同時(shí)10腳也為高電平，計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)鎖存。這樣,在50 ms的脈寬時(shí)間內(nèi)，顯示器就可以把已知周期的標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)顯示出來。2.4 譯碼與顯示電路設(shè)計(jì)譯碼與顯示電路如圖4所示，MC14511是具有鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)功能的BCD譯碼器,屬于CMOS器件,高電平輸出電流可達(dá)25 mA，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。SM4205是共陰極數(shù)碼管。由于計(jì)數(shù)器輸出的為BCD代碼，MC14511將其鎖存后譯成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使數(shù)碼管SM4205顯示出BCD碼的數(shù)值.3 安裝與調(diào)試按照以上各個(gè)部分的原理圖,對電路進(jìn)行級(jí)聯(lián),并焊接電路板。接好電源，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題。(1）數(shù)碼管不顯示所測溫度值。經(jīng)檢測,發(fā)現(xiàn)N