數(shù)字電容測(cè)試儀1

1、1課程設(shè)計(jì)目的在日常的電路工程或者是電路試驗(yàn)中，電容是一個(gè)最常見的元器件，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電容的電容值的準(zhǔn)確度要求也是很高的。在實(shí)際操作中，對(duì)電容的測(cè)量存在許多麻煩，數(shù)值的表現(xiàn)也不夠直觀。為此，我們查閱資料，根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字電容測(cè)試儀，只要接入被測(cè)電容，打開開關(guān)以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容的使用。2 課程設(shè)計(jì)指標(biāo)(1) 被測(cè)電容的容量在0.01至100范圍內(nèi)。(2) 設(shè)計(jì)測(cè)量量程。(3) 用2位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)量誤差小于20%。(4) 相應(yīng)時(shí)間不超過2s。3 課程設(shè)計(jì)原理3.1 設(shè)計(jì)原理框圖定時(shí)電路多諧振蕩器計(jì)數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器微分電路自

2、動(dòng)調(diào)零外接電容圖3.1 電容測(cè)量?jī)x原理框圖3.2 方案設(shè)計(jì)利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴(yán)格 與 Cx成正比只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時(shí)鐘脈沖相與，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)，然后再送給顯示器顯示 如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小。之所以選擇該方案是考慮到這個(gè)方案不僅設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，而且必要時(shí)還可以擴(kuò)展量程，更重要的是該方案設(shè)計(jì)出來(lái)的數(shù)字測(cè)試儀測(cè)量的結(jié)果比較精確。3.3 模塊介紹3.3.1 控制器電路控制器的主要功能是根據(jù)被測(cè)電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制

3、脈沖寬度 Tx圖2所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖該電路的工作原理如下：當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，只要按一下開關(guān) S，電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路、和反向器，送給 555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端2一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1RCx然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)，其輸出端3變?yōu)榈碗娖剑瑥亩怄i與門，停止計(jì)數(shù)。可見，控制脈沖寬度 Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)將與Cx的容量值成正比，可以達(dá)到測(cè)量電容的要求。由于設(shè)計(jì)要求 ，Cx的變化范圍為 1999，且測(cè)量的時(shí)

4、間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999)時(shí) Tx<2s，根據(jù) Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分電路可取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，取=1K，=10K，=l。3.3.2 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器這里選用由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘產(chǎn)生功能。電路原理圖及其輸出波形如圖 3所示。振蕩波形的周期為： 其中，占空比為： 因?yàn)闀r(shí)鐘周期 是在忽略了555定時(shí)器6腳的輸入電流條件下得到的，而實(shí)際上 6腳有10的電流流入因此，為了減小該電流的影響，應(yīng)使流過的電流最小值大于10。又因?yàn)橐?Cx =999時(shí)，Tx=2s，所以需要時(shí)鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生 999脈沖即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T=

5、2ms即： 如果選擇占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，則 ： = 11.43K =-5.713K 取標(biāo)稱值：=5.6K，=12K 最后還要根據(jù)所選電阻、的阻值，校算流過、的最小電流是否大于 10uA 從圖可以看出，當(dāng)上電壓達(dá)到時(shí)，流過、的電流最小，為: =95uA 振蕩周期： 可見所選元件基本滿足設(shè)計(jì)要求為了調(diào)整振蕩周期，可選用5.6K的電位器3.3.3 計(jì)數(shù)和顯示電路由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為1999，因此需要采用 3個(gè)二十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器這里選用 3片74LS160級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成所需的計(jì)數(shù)器一片74LS160和數(shù)碼管連接如下圖:三片74LS160和三個(gè)數(shù)碼管連接出來(lái)的

6、顯示圖如下圖：4 設(shè)計(jì)的步驟和過程4.1 設(shè)計(jì)制作的過程(1) 查閱資料，了解數(shù)字電容測(cè)試儀的基本工作原理和工作原理電路圖，把整體電路圖分解成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的模塊。(2) 通過查閱集成塊的參考書，了解各個(gè)模塊中的集成塊的構(gòu)造就作用，對(duì)集成塊的使用方法已經(jīng)集成塊的輸入輸出端以及集成塊的進(jìn)制有一定得了解。(3) 通過網(wǎng)絡(luò)，下載EWB(Electronics Workbench)軟件，通過網(wǎng)絡(luò)教程對(duì)軟件的使用方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，初步學(xué)會(huì)通過該軟件設(shè)計(jì)電路圖。(4) 根據(jù)整體電路的要求，設(shè)計(jì)出各個(gè)部分模塊的電路，通過示波器的檢查，確保各個(gè)模塊正常工作。(5) 把設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊組裝成整體的電路，并且根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)

7、進(jìn)行調(diào)試，知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。4.2 時(shí)鐘及控制信號(hào)的關(guān)系等由于利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴(yán)格 與 Cx成正比。因此，只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時(shí)鐘脈沖相與，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)，然后再送給顯示器顯示，這個(gè)時(shí)侯，如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小測(cè)量值用數(shù)碼管顯示及單位的確定，對(duì)不同的轉(zhuǎn)換方法所得的結(jié)果有不同的測(cè)量方法。如將電容容量轉(zhuǎn)換為電壓，則可通過AD轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓，再接至數(shù)碼管顯示。而頻率的測(cè)量則可用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通

8、過計(jì)算參數(shù)使待測(cè)電容與計(jì)數(shù)值滿足某一函數(shù)關(guān)系，通過這個(gè)函數(shù)關(guān)系可表示出待測(cè)電容的大小。而測(cè)脈沖寬度法事實(shí)上與測(cè)頻率法相同，脈沖作為門控信號(hào)，與時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的固定頻率相“與”，待測(cè)電容容量越大，脈沖寬度越寬，則相“與”后產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖越多，再按照測(cè)頻率法的方法就可以測(cè)量出待測(cè)電容的容量。5 設(shè)計(jì)的仿真與運(yùn)行結(jié)果5.1 電路的調(diào)試重按照整機(jī)電路圖接好電路，檢查無(wú)誤后即可通電調(diào)試計(jì)數(shù)和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，不用調(diào)整主要調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器和控制器.首先調(diào)試時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復(fù)合設(shè)計(jì)要求用頻率計(jì)檢測(cè)電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測(cè)波形調(diào)整 電位器，使輸出脈沖頻率約為 50

9、0Hz，接著調(diào)試控制器將一個(gè) 100的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端，按一下開關(guān) s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖，其脈寬Tx=1.1RCx，它控制與門使時(shí)鐘脈沖通過并開始計(jì)時(shí)如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說(shuō)明時(shí)鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié)再?gòu)?fù)上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。5.2 仿真測(cè)量 5.2.1 仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)一當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個(gè)300的標(biāo)準(zhǔn)電容接到測(cè)試端, 按一下開關(guān) s,結(jié)果顯示如下圖:誤差計(jì)算：，符合誤差在20%之內(nèi)的要求5.2.2 仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)二開關(guān)3分別打開閉合一次，顯示屏清零，然后在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)電容值為521的電容，打開開關(guān)S，觀察顯示屏上所檢測(cè)

10、出來(lái)的數(shù)值，并與假設(shè)值比較，具體操作以后，顯示如下圖：誤差計(jì)算：，符合誤差允許的范圍。5.3 結(jié)果分析 通過上面兩個(gè)數(shù)值的測(cè)量，可以得出此數(shù)字電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是正確的，可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量出一個(gè)待測(cè)電容的電容值，并且能夠?qū)⒄`差控制在很小的范圍內(nèi)。只要接入被測(cè)電容，打開開關(guān)以后，就能直接在屏幕上顯示出電容的大小，方便在以后的實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容的使用。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測(cè)電容容量在1到100之間時(shí)，測(cè)量值比較精確，而當(dāng)被測(cè)電容容量在0.01到1之間時(shí)，測(cè)量值誤差較大，并且顯示方面也出現(xiàn)了一點(diǎn)問題。但被測(cè)電容要求在0.01到100之間，為此，在原電路基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了改進(jìn)，由于Tx=1.1RCx，當(dāng)Cx在0.

11、01到1之間時(shí)，只要將R擴(kuò)大100倍，那么Tx將與Cx在1到100時(shí)一樣，即Tx在兩種情況下大小相等，于是只要增加一個(gè)小量程檔，就能有效地解決這個(gè)問題。6 結(jié)論6.1 設(shè)計(jì)過程中遇到的困難及解決辦法在設(shè)計(jì)的最初階段，由于通過資料的查閱，對(duì)各個(gè)模塊的電路圖有了初步的了解，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠得心應(yīng)手，特別在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)和顯示電路模塊的時(shí)候，設(shè)計(jì)過程比較流暢，第一天便完成了任務(wù)。但是在接下來(lái)設(shè)計(jì)控制器電路和時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電路時(shí)，遇到了一點(diǎn)點(diǎn)的小麻煩，由于設(shè)計(jì)這兩個(gè)模塊需要對(duì)555集成塊進(jìn)行連接，但是當(dāng)時(shí)對(duì)555集成塊理論知識(shí)的掌握不夠全面，所以設(shè)計(jì)出來(lái)以后電路有問題，不能正常工作。所以我們決定先暫停設(shè)

12、計(jì)，翻閱課本和在圖書館借來(lái)的資料，把555集成塊的結(jié)構(gòu)和功能研究了一遍，最后終于成功了設(shè)計(jì)出來(lái)，這也剛好驗(yàn)證了那句老話“磨刀不誤砍柴工”。當(dāng)把所有模塊全部連接起來(lái)以后，運(yùn)行該數(shù)字電容測(cè)試儀是，顯示屏上一開始一直顯示的是111，每次測(cè)試的時(shí)候都是從111這個(gè)數(shù)值的基礎(chǔ)上開始累加。后來(lái)經(jīng)過我們對(duì)電路的研究，發(fā)現(xiàn)沒有設(shè)計(jì)調(diào)零電路，所以我們?cè)陔娐穲D上設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)調(diào)零電路，這樣，從111開始計(jì)數(shù)的問題就解決了。6.2 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 時(shí)間過的好快，轉(zhuǎn)眼間，為期兩周的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)就結(jié)束了。通過這兩周的課程設(shè)計(jì)，我拓寬了知識(shí)面，鍛煉了能力，綜合素質(zhì)得到較大提高。設(shè)計(jì)，給人以創(chuàng)作的沖動(dòng)。但凡涉及設(shè)計(jì)都

13、是一件良好的事情，因?yàn)樗芙o人以美的幻想，因?yàn)樗芙o人以金般財(cái)富，因?yàn)樗芙o人以成就之感，更為現(xiàn)實(shí)的是她能給人以成長(zhǎng)以及成長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，而這種營(yíng)養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。安排課程設(shè)計(jì)的基本目的，在于通過理論與實(shí)際的結(jié)合、人與人的溝通，進(jìn)一步提高思想覺悟。尤其是觀察、分析和解決問題的實(shí)際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動(dòng)適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合型人才。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基

14、本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。課程設(shè)計(jì)的過程中，由于對(duì)理論掌握的不熟練，或者是操作過程中發(fā)生失誤，都會(huì)導(dǎo)致最后結(jié)果出不來(lái)。至善至美，是人類永恒的追求。但是，不從忘卻“金無(wú)足赤，人無(wú)完人”，我們換種思維方式，去惡亦是至善，改錯(cuò)亦為至美。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。對(duì)我們電子信息專業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過課程

15、設(shè)計(jì)，讓我們找出自身狀況與實(shí)際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為求職與正式工作做好充分的知識(shí)、能力準(zhǔn)備，從而縮短從校園走向社會(huì)的心理轉(zhuǎn)型期。作為整個(gè)學(xué)習(xí)體系的有機(jī)組成部分，課程設(shè)計(jì)雖然安排在兩周進(jìn)行，但并不具有絕對(duì)獨(dú)立的意義。它的一個(gè)重要功能，在于運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到的系統(tǒng)化的理論知識(shí)，嘗試性地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作，并從理論的高度對(duì)設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)代化提出一些有針對(duì)性的建議和設(shè)想。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，看一看課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作到底有多大距離，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計(jì)劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實(shí)踐依據(jù)。通過課程設(shè)計(jì)，我還更加明白了

16、一個(gè)真理。時(shí)至今日，課程設(shè)計(jì)基本告成，才切身領(lǐng)悟“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，才明曉實(shí)踐出真知。因?yàn)樵诮滩纳?，?shù)字鐘不過是由計(jì)數(shù)器和譯碼顯碼器組合而成，也便不以為然搭建電路圖，結(jié)果電路出現(xiàn)諸多問題，譬如短路開路，EWB中引腳懸空即為低電平，現(xiàn)實(shí)中引腳懸空呈現(xiàn)大電阻特性即高電平，不為則不知，無(wú)為則無(wú)知，實(shí)踐出真知。課程設(shè)計(jì)達(dá)到了專業(yè)學(xué)習(xí)的預(yù)期目的。在兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)之后，我們普遍感到不僅實(shí)際動(dòng)手能力有所提高，更重要的是通過對(duì)設(shè)計(jì)過程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于迎刃而解。同時(shí)，在老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，在此我表示感謝！同時(shí)，對(duì)給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！7參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2006：1129.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2006：66309.3 金唯香