簡易數(shù)字式電容測試儀本科

1、簡易數(shù)字式電容測試儀本科職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文題目：簡單數(shù)字式電容測試學(xué)生：XXXX學(xué)號:XXXXXXXXXXXXIII / 22院（系）：職業(yè)技術(shù)學(xué)院專業(yè):XXX)CXXXXX指導(dǎo)教師：XXXXXXXXXXX2013年5月2日陜西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書XXXXXX專業(yè)XXX班級學(xué)生:XX題目:簡易數(shù)字式電容測試儀畢業(yè)設(shè)計（論文）從2013年2月5日起到2013年5月乙日課題的意義及培養(yǎng)目標：現(xiàn)如今，信息正是一個高度發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，而數(shù)字技術(shù)是信息的基礎(chǔ)，數(shù)字技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，數(shù)字技術(shù)在數(shù)字集成電路集成度越來越高的情況下，開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的使用方法和用來實現(xiàn)這些方法的

2、工具已經(jīng)發(fā)生了變化，但大規(guī)模集成電路中的基本模塊結(jié)構(gòu)仍然需要基本單元電源電路的有關(guān)概念，因此用基本邏輯電路來組成大規(guī)?；蛑幸?guī)模地方法仍然需要我們掌握。本數(shù)字式電容測試儀采用的是伏安法測電容，設(shè)計的被測電容比較小用這種方法測量簡單，采用穩(wěn)壓電源提供電壓是測量更加精確。本數(shù)字式電容測試儀采用低壓測量，設(shè)計一個穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)壓直流電源,在被測電容兩端加以穩(wěn)壓電壓就有電流通過，通過采集電流信號，將電流信號在轉(zhuǎn)化為電壓信號進行AD轉(zhuǎn)化處理，處理完數(shù)據(jù)再送入單片機和顯示電路進行顯示。設(shè)計（論文）所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料：2 .電子元器件基礎(chǔ)簡易數(shù)字式電容測試儀本科3 .檢索A/D轉(zhuǎn)換電路理論基礎(chǔ)4 .電路

3、模擬技術(shù)及硬件5單片機基礎(chǔ)課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標分析）：1 .了解數(shù)字式電容測試儀的設(shè)計思路及方法2 .熟悉測量儀器的使用?.：掌握信號處理的方法4 .掌握電子系統(tǒng)設(shè)計5 .綜合運用數(shù)字電路，模擬電路和單片機技術(shù)的綜合技術(shù)6 .研究數(shù)字式電容測試儀的應(yīng)用7 .掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計（論文）進度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）：周次設(shè)計（論文）任務(wù)及要求第周檢索、收集資料第45周整理資料，確定設(shè)計方案第67周完成電路圖、流程的設(shè)計第8-12周電子元器件的選取，并完成元器件的連接第13周進行測試、修改第14-15周完成論義義字撰與部分第16周修改并完成畢業(yè)設(shè)計，打印相關(guān)圖表，準備參加

4、答辯學(xué)生簽名：日期:指導(dǎo)教師：日期:教研室主任：日期:III / 22簡易數(shù)字式電容測試儀摘要由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度tw與電容C成正比,把電容C轉(zhuǎn)換成脈沖寬度為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)，并送鎖存一譯碼一顯示系統(tǒng)就可測得電容的數(shù)值。時鐘脈沖可由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供。如果時鐘脈沖的各參數(shù)合適，數(shù)碼管顯示的數(shù)字N便是待測電容G的值。關(guān)鍵字:電容測試儀，閘門信號，標準頻率脈沖，多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)振蕩器,555,74160,計數(shù)器SimpledigitalcapacitancetesterABSTRACTDuetothepulsewidthofmono

5、stabletriggertwisproportionaltothecapacitanceC,thecapacitanceCisconvertedintopulsewidthfortwrectangularpulse,andthenuseitasagatesignalcontrolcountermeterstandardfrequencypulsenumber,andsendlatch-decoding-displaysystemcanbemeasured,thevalueofcapacitance.Clockpulsemultivibratorcomposedof555avajlable.I

6、ftheparametersoftheclockpulsehedigjtaltubedisplaydigitalistomeasurethevalueofthecapacitorCxN.KEYVVORDS：Standardcapacitancetesterzgatesignal,frequencypulsemultivibrator555,74160,monostableoscillatorcounter目錄摘要IABSTRACT11?？飘厴I(yè)論文（設(shè)計說明書）各部分的裝訂順序11 .1系統(tǒng)概述21 .2總體方案的選擇及可行性分析32 .3方案論證32單元電路設(shè)計分析43 .1555定時器44

7、.2用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器55 .3用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器66 .4占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路72. 5同步十進制計數(shù)器74LS16083. 6位集成寄存器74LS17594. 7LED數(shù)碼管103結(jié)束語115. 1總結(jié)116. 2收獲與體會114 致謝125 參考文獻136 附錄146.1附錄一元器件表14簡易數(shù)字式電容測試儀本科1系統(tǒng)概述1.1 總體方案的選擇及可行性分析數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的值，從而判斷電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標設(shè)計，它的設(shè)計要點可分為倆部分：一部分是LED顯示，另一部分就是要將a值進行轉(zhuǎn)換。能滿足上述設(shè)

8、計功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面四種參考方案：方案一把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行顯示?？捎?55集成定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RCIn31.IRCo從式中可以看出，當(dāng)R固定時，改變電容C則輸出脈寬tw跟著改變，由,的寬度就可以求出電容的大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓V。取平均值，由于電容量的不同，tw的寬度也不同，則V。的平均值也不同，由V。的平均值大小可以得到電容C的大小。如果把平均值送到A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但是我們對A/D轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分，設(shè)計有一些困難。方案二

9、用阻抗法測R、L、C有兩種實現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測元件電壓；永恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。方案三：像測量R一樣，測量電容C的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖1所示。只是電容C要用交流電橋測量。電橋的平衡條件是：Zi»Zn*expj(%+4>n)=Z2*Zx#expj(")小工)R9R10<-VAV-W-|59kQ|5k£)GOQOMOTOR0R11XR125kQ5kD圖(1)通過調(diào)節(jié)阻抗乙、使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可求出被測電容。用這種方法測量，調(diào)節(jié)電

10、阻值一般只能手動，電橋的平衡也難以用簡單電路實現(xiàn)。這樣，電橋法不易實現(xiàn)自動測量。方案四：應(yīng)用基本思想：把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計數(shù)器計數(shù)，技術(shù)后再運算求出C的值，并送出顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計的知識，把此脈沖作閘門時間和標準頻率脈沖相“與”，得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送至計數(shù)一鎖存一譯碼一顯示系統(tǒng)就可得到電容量的數(shù)據(jù)。其實，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，頻率f是數(shù)字電路很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指

11、針讀數(shù)引起的誤差。因此本設(shè)計我們采用此方案。1.3方案論證1. 3.1設(shè)計思路把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，L3.2設(shè)計的總體框圖該方案的總體方框圖如圖2所示:圖（2）總體方框圖5 / 222單元電路設(shè)計分析2. 1555定時器555電路符號如圖3所示，如圖4為555等效功能框圖中包含兩個coms電壓比較器a和a,一個rs觸發(fā)器，一個反相器，一個p溝道m(xù)os場效應(yīng)管構(gòu)成的放電開關(guān)SW,三？聲織相等的分壓呷？網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩沖級。三個電阻組%IRd成的分壓網(wǎng)絡(luò)為上比較器a和為比W器a,0;分型提供2v«/3和/3的偏置電壓。

12、8473"o%66555圖（止555等效功能框配L2. 2555定時器的工區(qū)原理是:當(dāng)輸入電壓取2匚A3,.時.電壓比較罌C反相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，相當(dāng)于在電Q比較器555通時瞬急胳酷構(gòu)圖一個負極性的信號，電壓比較器3的輸出電壓為正極性的信號，即高電平信號“1”；電壓比較器G同相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器G的同相輸入端輸入一個負極性的信號，電壓比較器G的輸出電壓為負極性信號，即低電平信號“0”；RS觸發(fā)器被置位，輸出電壓U。等于lo555定時器輸出與輸入的關(guān)系也可用功能表來描述，如表1所示Rdui6心UoT的工作狀態(tài)0XX0導(dǎo)通1<2VCC/3&

13、lt;VCC/31截止1<2VCC/3>VCC/3不變不變1>2VCC/3>V£C/30導(dǎo)通（表1）簡易數(shù)字式電容測試儀本科山上表可知：2.2.1當(dāng)輸入電壓Ui6<2Vcc/3時，氏從VV«/3變化到>V«/3時，電壓比較器G反相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，電壓比較器C的輸出電壓為高電平信號“1”，RS觸發(fā)器處在保持的狀態(tài),保持也6V2V«/3,幾VV«/3時的輸出狀態(tài),輸出電壓U。等于1。2.2.2當(dāng)輸入電壓Ui2>Vee/3時，從>2V«/3變化到V2V«/3時,電壓比較

14、器G同相輸入端的輸入電壓大于參考電壓，電壓比較器G的輸出電壓為高電平信號“1”，RS觸發(fā)器處在保持的狀態(tài)，保持L6>2Vcc/3,L>Vcc/3時的輸出狀態(tài)，輸出電壓U。等于0。2.2.3當(dāng)輸入電壓&6>2Vcc/3,UQVcc/3時,電壓比較器加反相輸入端的輸入電壓大于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器C：的反相輸入端輸入一個正極性的信號，電壓比較器Q的輸出電壓為負極性的信號，即低電平信號“0”，RS觸發(fā)器被復(fù)位，輸出電壓U。等于0。2.3用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及其工作波形如圖6所示，其工作原理如下：(a)(b)當(dāng)接通電源v«

15、;后，電容C上的初始電壓為0V,比較器Q和a輸出為1和0,使U=l,放電管T截止，電源通過瓦、R二向C充電?？谏仙?兀/3時，RS觸發(fā)器被復(fù)位，使也二0,T導(dǎo)通，電容C通過艮到地放電，I；開始下降，當(dāng)U,降到V«/3時，輸出U。乂翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容C乂開始充電。如此周而復(fù)始，就可在3腳輸出矩形波信號。由圖6（b）所示，U,將在V«/3和2V«/3之間變化，因而可以求得電容C上的充電時間和放電時間Z：T尸（Ri+RjCIn20.7（Rx+R：）CTc=R：CIn20.7R:C所以輸出波形的周期為T$+Ty（R1+2愉）CIn20.7（R：+2R=）C

16、振蕩頻率f=l/T-1.44/（RX+2R：）C占空比q二（Rx+R：）/（R1+2R。>50%如果R>>R=,貝Ijqgl,U近似為鋸齒波。2.4占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路在圖7所示電路中，由于電容。的充電時間常數(shù)尸（冗+足）。，放電時間常數(shù)七二是C,所以7；總是大于3，%的波形不僅不可能對稱，而且占空比。不易調(diào)節(jié)。利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?，把電容。充電和放電回路隔離開來，再加上一個電位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，如圖7所示。由于二極管的引導(dǎo)作用，電容。的充電時間常數(shù)尸用G放電時間常數(shù)一二足Q通過（圖7）84一36555215豐0.0時-1C1簡易數(shù)字式電容測

17、試儀本科與上面相同的分析計算過程可得：斯0.746=01RZC占空比為：T.E0.7/?,CR、q=T豈十720.7鳥C+0.7&C鳥+我2只要改變電位器滑動端的位置，就可以方便地調(diào)節(jié)占空比Q,當(dāng)凡二用時，行0.5,匕就成為對稱的矩形波2.5同步十進制計數(shù)器741_5160同步十進制計數(shù)器74LS160如圖8所示：E_ QgQ：Q：Qs口 74LS160 C0毀） DcD：D：D3步十進制具有同步計數(shù)和保圖(8)74LS160管腳圖74LS160是集成同計數(shù)器，該計數(shù)器預(yù)置、異步清零、持四種功能有進位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。11 / 2274LS160的功能表如表2所示:將十進制以

18、下計數(shù)器可采用以下兩種反饋方式:74LS160 構(gòu)成EPETCP功能0XXXX清零10XXt置數(shù)1111t計數(shù)110XX保持11X0X保持二.74LS160的功能表2.5.1反饋清零法反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個給計數(shù)器的復(fù)位信號，使計數(shù)器各輸出端為零（清零）。反饋電路是組合邏輯電路，計數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計數(shù)器一定的輸出狀態(tài)下即時產(chǎn)生復(fù)位信號，使數(shù)電路同步或異步地復(fù)位。2.5.2反饋置數(shù)法反饋置數(shù)法是將反饋邏輯電路產(chǎn)生的信號送到計數(shù)電路的置位端，在滿足條件時,計數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進制碼。2.6位集成寄存器74LS175圖9所示是由D觸發(fā)器組成的4位集成寄存器74LS17

19、5的邏輯電路圖。其中，Rd是異步清零控制端。DOD3是并行數(shù)據(jù)輸入端，CP為時鐘脈沖端，QOQ3是并行數(shù)據(jù)輸出端。IQQ在CP端送一個時鐘脈沖，脈沖上升沿作用后，四位數(shù)碼并行的出現(xiàn)在四個觸發(fā)器Q端。1QQC1 ID A74LS175的功能如表3所示CP RdID 2D 3D 4DQi Q2 Q3 Q4X0T1表三.74LS175的功能雪f01X X X XID 2D 3D5X X X XX X X XX X X X保持I1簡易數(shù)字式電容測試儀本科4結(jié)束語4.1總結(jié)本設(shè)計完成題目所給的設(shè)計任務(wù)，設(shè)計了一臺數(shù)字顯示的電容測試儀，滿足題目的基本要求和一部分發(fā)揮要求。儀表有性能可靠、精度高、電路簡單的

20、特點。但是這種把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量也有不足之處，主要是由于電路的影響，輸出的電容在某一個周期里誤差會很大。也可以通過加入延時清零電路，設(shè)置更多的檔位來減小誤差，使其精度更高。總體來說，本設(shè)計是成功的。4.2收獲與體會回顧起此次課程設(shè)計，至今我感慨頗多。的確，從查閱資料到電路設(shè)計，從理論學(xué)習(xí)到實踐總結(jié)，在整整兩個星期的日子里，可以說是苦多于甜，但是能學(xué)到好多東西,不僅可以鞏固以前所學(xué)過的電子技術(shù)專業(yè)知識，而且學(xué)到了仿真軟件的基本操作。通過這次課程設(shè)計，我懂得了理論與實踐相結(jié)合的重要的，僅有理論的知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)到的專業(yè)知識與實踐結(jié)合起來，從實踐中得出結(jié)

21、論，才能真正的理解掌握理論知識，提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。在設(shè)計的過程中難免會遇到各種各樣的問題，但是我們迎難而上，通過查資料和請教老師努力研究、解決問題;同時在分析測容原理與設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，如對以前學(xué)過的專業(yè)知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，我們通過認真學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)知識可以更好的完成課程設(shè)計。對這次設(shè)計的電路，我最滿意的是量程控制所達到的高精度效果。為提高精度，本儀表只顯示1009999之間的數(shù)，當(dāng)然具體的容值還要看量程檔位。如果要更加完善設(shè)計，還是有很大的發(fā)展余地的，比如說可以加入延時清零電路，可以設(shè)置更多的檔位等等。我們組三人依據(jù)分工，高效率的查詢了大量資料，電路圖是我們依據(jù)原理自行設(shè)計，然而結(jié)果卻與理論上有不少出處，隨著今后的學(xué)習(xí)我們也會繼續(xù)將之改進。此次課程設(shè)計不僅進