測控電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGE1測控電路課程設(shè)計(jì)數(shù)字電容測量儀一．1設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電容測量儀。設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)555定時(shí)器分別構(gòu)建多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈波和控制計(jì)數(shù)脈波，其中待測電容為單穩(wěn)態(tài)電路中的外接電容，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的波形為高電平時(shí)計(jì)多諧產(chǎn)生的脈波個(gè)數(shù)即為電容數(shù)值。計(jì)數(shù)部分由74LS160構(gòu)建的三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，7448驅(qū)動共陰數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值（即所測電容的值）。2設(shè)計(jì)方案2.1測量部分的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)由555定時(shí)器兩個(gè)電阻以及一個(gè)電容，構(gòu)成的多諧振蕩電路，產(chǎn)生較為穩(wěn)定的振蕩頻率計(jì)算的公式為：≈，這個(gè)頻率可以自己選擇電阻和電容的值確定。再由一個(gè)555定時(shí)器和一個(gè)電阻以及一個(gè)電容構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,并將以上述多諧振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號。根據(jù)電容的大小來調(diào)節(jié)占空比。此方法測量比較精確，并且容易調(diào)節(jié)所測量電容值的范圍（只需調(diào)節(jié)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻的大小即可）。2.2測量信號數(shù)字化系統(tǒng)方案選擇利用譯碼器進(jìn)行翻譯。將測量出的結(jié)果輸入譯碼器當(dāng)中，利用譯碼器將電信號翻譯，然后輸入到LED數(shù)碼顯示管中，最后顯示出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。選擇的譯碼器可以為7448譯碼器。該方法所用到的器材較為便宜，且做成的成品便攜。3設(shè)計(jì)原理框圖（如圖一）圖一設(shè)計(jì)框圖根據(jù)上圖可知每個(gè)框圖在設(shè)計(jì)中都是必不可少的，在電路中有著非常重要的作用：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器可以產(chǎn)生一定周期的脈波，此脈波既作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的輸入脈波，也作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈波。由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以產(chǎn)生占空比一定的脈波，此脈波用來控制74LS160在高電平期間計(jì)數(shù)。由74LS160構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器在控制信號作用下完成計(jì)數(shù)功能。由7448構(gòu)成的驅(qū)動器用來驅(qū)動數(shù)碼管，將數(shù)值在數(shù)碼管上顯示出來。單元電路的設(shè)計(jì)及原理1.1電容值測量電路及原理1.1.1多諧振蕩器電路圖及工作原理555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多多諧諧振蕩器，其電路圖如圖二所示：圖二定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器多諧振蕩器波形圖其電路工作原理是：接通電源后，電容C被充電，當(dāng)上升到時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器充放電所需時(shí)間為:當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過、向電容器C充電，由上升到所需的時(shí)間為：當(dāng)上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為：1.1.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路圖如圖三（a）所示。其簡化電路如圖三（b）所示：圖三（a）555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖三（b）555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的簡化電路其工作原理是：沒有觸發(fā)信號時(shí)處于高電平（＞），如果接通電源后Q=0=0，T導(dǎo)通，電容通過放電三極管放電，使=0，保持低電平不變。如果電源接通后Q=1，放電三極管T就會截止，電源通過電阻R向電容充電，當(dāng)上升到時(shí)，由于R=0,S=1鎖存器置0，為低電平。此時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，電容放電，保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發(fā)信號時(shí)，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)=0。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（＜），電路的輸出狀態(tài)由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑娐愤M(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管T截止。此后電容充電，當(dāng)充電至=時(shí)，電路的輸出端電壓由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，同時(shí)T導(dǎo)通，于是電容放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降，則從零電平上升到的時(shí)間，即為輸出電壓的脈寬模擬信號的處理以及數(shù)字化顯示在這個(gè)環(huán)節(jié)中，直接采用將信號送入7448譯碼器中進(jìn)行翻譯，并將翻譯成的 BCD碼送入LED數(shù)碼管中，顯示出來。其電路結(jié)構(gòu)如圖四，給出BCD—七段顯示譯碼器7448的邏輯圖。如果不考慮邏輯圖中由G1~G4組成的附加控制電路的影響（即G3和G4的輸出為高電平），則Ya~Yg與A3、A2、A1、A0之間的邏輯關(guān)系為：LED數(shù)碼管的構(gòu)造和顯示原理：LED數(shù)碼管分為共陽極與共陰極兩種，如圖2—2所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。a~g代表7個(gè)筆段的驅(qū)動端，亦稱筆段電極。DP是小數(shù)點(diǎn)。第3腳與第8腳內(nèi)部連通，+代表公共陽極，-表示公共陰極。對于共陽極LED數(shù)碼管（如圖2—2所示），將8只發(fā)光二極管的陽極短接后作為公共陽極。其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接供電平時(shí)可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動信號為高電平，-端接低電平時(shí)才能發(fā)光。LED數(shù)碼管的特點(diǎn)：能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。發(fā)光相應(yīng)時(shí)間極短（＜0.1us），高頻特性好，單色性好，亮度高。體積小，重量輕，抗沖擊性好。壽命長，使用壽命在10萬小時(shí)以上，甚至可以達(dá)到100萬小時(shí)。成本低。電路工作原理及參數(shù)的計(jì)算1.由555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生波形，其產(chǎn)生的波形一方面用于計(jì)數(shù)，另一方面作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸入。振蕩周期為：2.由555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的波形控制計(jì)數(shù)，使74160在單穩(wěn)態(tài)高電平時(shí)計(jì)數(shù)，輸出波形占空比為：3.計(jì)數(shù)器在單穩(wěn)觸發(fā)器高電平時(shí)開始計(jì)多諧振蕩器的周期數(shù)，則滿足下述關(guān)系式：為了便于計(jì)算，取多諧振蕩器中，設(shè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中外接電容為,則有：若要顯示器直接顯示出 的值，則應(yīng)該滿足 ，所以由以上關(guān)系式可取近似值=0.1μF，=，，設(shè)被測電容=47μF。4.通過驅(qū)動器7448驅(qū)動七段顯示數(shù)碼管LED進(jìn)行顯示。四．整體電路圖（如圖四）圖四整體電路圖小結(jié)兩周的課程設(shè)計(jì)很快的就過去了，當(dāng)拿到課程設(shè)計(jì)題目的時(shí)候，卻有些無從下手，這充分反映了自己多所學(xué)知識的不夠深入了解，我不斷地去翻看數(shù)電書，去圖書館、互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)資料，不僅是查找資料，也是講自己忘記的，沒有掌握的重新學(xué)習(xí)一遍，努力地想把課程設(shè)計(jì)做好，其中遇到了很多難題，比如電路的連接，以及選擇怎樣的器件才能將電容顯示出來，最難的難題還是在參數(shù)的選擇計(jì)算。在連接電路圖的時(shí)候起初是用protel，有些不順手，后來改用了EWB軟件進(jìn)行繪圖，但有些器件還是無法找到，自己面對全英文的軟件也有點(diǎn)困難，不管有什么困難盡量克服。兩周的時(shí)間很快就過去了，在這期間發(fā)現(xiàn)了自己對分體分析不夠嚴(yán)謹(jǐn)，以及以前的學(xué)習(xí)部夠認(rèn)真，對知識模棱兩可，這次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的耐心，以及學(xué)習(xí)的熱情，改掉了很多不好的毛病，其中就包括拖延癥，總是把事情拖到最后，感謝老師給我們這次機(jī)會，讓我們重新認(rèn)識自己，發(fā)現(xiàn)自己的不足，以后會更加努力學(xué)習(xí)自己的專業(yè)知識。芯片介紹555芯片功能介紹

555時(shí)基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。該電路可以在最基本的典型應(yīng)用方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)過參數(shù)配置和電路的重新組合，與外接少量的阻容元件就能構(gòu)成不同的電路，因而555電路在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。

555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能

1.電路結(jié)構(gòu)及邏輯功能

圖五555電路結(jié)構(gòu)和引腳圖圖五為555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和8腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成。它的各個(gè)引腳功能如下：

1腳：GND(或Vss)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。

8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5～16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3～18V。一般用5V。

3腳：OUT（或Vo）輸出端。

2腳：TR低觸發(fā)端。

6腳：TH高觸發(fā)端。

4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。

5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。

7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5kΩ的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。

在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器C1、C2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表6-1-1示。

表五555時(shí)基電路的功能表

74LS160芯片介紹1.74LS160芯片引腳如圖六所示圖674LS160芯片引腳圖1）：同步置數(shù)控制端2）：異步置0控制端3）和：計(jì)數(shù)控制端4）：并行數(shù)據(jù)輸入端5）：輸出端6）CO：進(jìn)位輸出端2.74LS160的功能表如六所示表674LS160的功能輸