简易数字式电容测试仪_本科毕业论文.doc

职业技术学院 毕 业 论 文 题目：题目： 简单数字式电容测试简单数字式电容测试 学学 生：生： xxxxxxxx 学学 号：号： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 院院 （系）：（系）： 职业技术学院职业技术学院 专专 业：业： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指导教师：指导教师： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 2013 年年 5 月月 2 日日 陕 西 科 技 大 学 职 业 技 术 学 院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 xxxxxx 专业 xxx 班级 学生：xx 题目：题目： 简易数字式电容测试仪简易数字式电容测试仪 毕业设计（论文）从 20132013 年 2 月 5 日起到 2013 年 5 月 2 日 课题的意义及培养目标： 现如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础， 数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成 度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工 具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单 元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方 法仍然需要我们掌握。 本数字式电容测试仪采用的是伏安法测电容，设计的被测电容比较小用这 种方法测量简单，采用稳压电源提供电压是测量更加精确。本数字式电容 测试仪采用低压测量，设计一个稳压电源提供稳压直流电源，在被测电容 两端加以稳压电压就有电流通过，通过采集电流信号，将电流信号在转化 为电压信号进行 ad 转化处理，处理完数据再送入单片机和显示电路进行 显示。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 1 检索模拟放大电路理论基础 2. 电子元器件基础 3. 检索 a/d 转换电路理论基础 4. 电路模拟技术及硬件 5 单片机基础 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 1. 了解数字式电容测试仪的设计思路及方法 2. 熟悉测量仪器的使用 3. 掌握信号处理的方法 4. 掌握电子系统设计 5. 综合运用数字电路，模拟电路和单片机技术的综合技术 6. 研究数字式电容测试仪的应用 7. 掌握单片机系统设计 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）： 周 次设计（论文）任务及要求 第 1-3 周检索、收集资料 第 4-5 周整理资料，确定设计方案 第 6-7 周完成电路图、流程的设计 第 8-12 周电子元器件的选取，并完成元器件的连接 第 13 周进行测试、修改 第 14-15 周完成论文文字撰写部分 第 16 周修改并完成毕业设计，打印相关图表，准备参加答辩 学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 简易数字式电容测试仪 摘 要 由于单稳态触发器的脉冲宽度 tw 与电容 c 成正比，把电容 c 转换成脉冲宽度为 tw 的 矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存 译码显示系统就可测得电容的数值。时钟脉冲可由 555 构成的多谐振荡器提供。 如果时钟脉冲的各参数合适，数码管显示的数字 n 便是待测电容 cx的值。 关键字:电容测试仪,闸门信号,标准频率脉冲,多谐振荡器,单稳态振荡器, 555, 74160, 计数器 simple digital capacitance tester ii abstract due to the pulse width of monostable trigger tw is proportional to the capacitance c, the capacitance c is converted into pulse width for tw rectangular pulse, and then use it as a gate signal control counter meter standard frequency pulse number, and send latch - decoding - display system can be measured, the value of capacitance. clock pulse multivibrator composed of 555 available. if the parameters of the clock pulse, the digital tube display digital is to measure the value of the capacitor cx n. key words: standard capacitance tester, gate signal ,frequency pulse multivibrator 555 ,74160, monostable oscillator counter 目目 录录 摘要 i abstract1 1 专科毕业论文（设计说明书）各部分的装订顺序1 1.1 系统概述2 1.2 总体方案的选择及可行性分析 3 1.3 方案论证 3 2 单元电路设计分析 4 2.1 555 定时器 4 2.2 用 555 定时器构成的单稳态触发器5 2.3 用 555 定时器构成的多谐振荡器6 2.4 占空比可调的多谐振荡器电路 7 2.5 同步十进制计数器 74ls1608 2.6 位集成寄存器 74ls1759 2.7 led 数码管10 3 结束语 11 3.1 总结11 3.2 收获与体会11 4致谢 12 5参考文献 13 6附录 14 6.1 附录一元器件表 14 数字式电容测试仪1 1 系统概述 1.1 总体方案的选择及可行性分析 数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的值，从而判断 电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一 部分是 led 显示，另一部分就是要将 cx值进行转换。 能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案： 方案一 把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换成数字量进行显示。 可由 555 集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出 电压的脉宽为：tw=rc31.1rc。从式中可以看出，当 r 固定时，改变电容 c 则 输出脉宽 tw 跟着改变，由 tw 的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输 出电压 vo 取平均值，由于电容量的不同，tw 的宽度也不同，则 vo 的平均值也不同， 由 vo 的平均值大小可以得到电容 c 的大小。如果把平均值送到 ad 转换器，经显 示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对 ad 转换器的掌握程度还不够充分， 设计有一些困难。 方案二 用阻抗法测 r、l、c 有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源 供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测 量范围很窄。 方案三： 像测量 r 一样，测量电容 c 的最经典方法是电桥法，如图 1 所示。只是电容 c 要用交流电桥测量。电桥的平衡条件是： z1*zn*expj（1+n） =z2*zx*expj（2+x） 陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书)2 图（图（1 1） 通过调节阻抗 z1、z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知 的电路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥 的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。 方案四： 应用基本思想：把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。 先把电容 c 转换成宽度为 tw 的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技 术后再运算求出 c 的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽 tw 与电容 c 成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉 冲相“与” ，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数锁存译码显示系统就可得 到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率 f 是数字电路 很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也 避免了有指针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。 1.3 方案论证 1.3.1 设计思路 把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。先把电容 c 转换成 宽 度为 tw 的矩形脉冲， 数字式电容测试仪3 1.3.2 设计的总体框图 该方案的总体方框图如图 2 所示： 图（2）总体方框图 陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书)4 2 单元电路设计分析 2.1 555 定时器 555 电路符号如图 3 所示，如图 4 为 555 等效功能框图中包含两个 coms 电压 比较器 c1和 c2，一个 rs 触发器，一个反相器，一个 p 沟道 mos 场效应管构成的放电 开关 sw，三个组织相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络 为上比较器 c1和下比较器 c2，它们分别提供 2vcc3 和 vcc3 的偏置电压。 图（图（3 3）555555 等效功能框图等效功能框图 84 3 6 2 1 5 uo 555 ui2 ui6 uccrd 7 数字式电容测试仪5 图（图（4 4） 2.2 555 定时器的工作原理是： 当输入电压 ui62vcc3，ui2vcc3 时，电压比较器 c1反相输入端的输入电压 小于参考电压，相当于在电压比较器 c1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比 较器 c1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器 c2同相输入端 的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器 c2的同相输入端输入一个负极性的信 号，电压比较器 c2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；rs 触发器被置位， 输出电压 u0等于 1。 555 定时器输出与输入的关系也可用功能表来描述，如表 1 所示 rdui6ui2u0 t 的工作状 态 00 导通 1 2vcc3vcc3 1 截止 1 2vcc3vcc3 不变 不变 1 2vcc3vcc3 0 导通 （表（表 1 1） 3 4 8 8 5 6 + + & & & 1 c1 c2 r q g r s 2 7 1 t 555定定时时器器电电路路结结构构图图 ucc 5k 5k 5k ui2 ui6 uic rd uo 陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书)6 由上表可知： 2.2.1 当输入电压 ui62vcc3 时，ui2从 vcc3 变化到 vcc3 时，电压比 较器 c1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器 c1的输出电压为高电平信号 “1”， rs 触发器处在保持的状态，保持 ui62vcc3，ui2vcc3 时的输出状态， 输出电压 u0等于 1。 2.2.2 当输入电压 ui2vcc3 时，ui6从 2vcc3 变化到 2vcc3 时，电压比 较器 c2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器 c2的输出电压为高电平信号 “1”， rs 触发器处在保持的状态，保持 ui62vcc3，ui2vcc3 时的输出状态， 输出电压 u0等于 0。 2.2.3 当输入电压 ui62vcc3，ui2vcc3 时，电压比较器 c1反相输入端的 输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器 c1的反相输入端输入一个正极性的信号， 电压比较器 c1的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”， rs 触发器被复位， 输出电压 u0等于 0。 2.3 用 555 定时器构成的多谐振荡器 用 555 定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图 6 所示，其工作原理如下： 图图 6 由由 555 构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器 2 6 vccrd o 555 3 vi2 i1 v 84 (a) (b) v 7 r r vcc 1 2 c 15 0.01f c1 vc p 2 1 c 3 v vcc v cc 3 t vo t o o ttt cc v 012 tt t 12 0 数字式电容测试仪7 当接通电源 vcc后，电容 c 上的初始电压为 0v，比较器 c1和 c2输出为 1 和 0，使 uo=1，放电管 t 截止，电源通过 r1、r2向 c 充电。uc上升至 2vcc3 时，rs 触发器被 复位，使 uo=0，t 导通，电容 c 通过 r2到地放电，uc开始下降，当 uc降到 vcc3 时， 输出 uo又翻回到 1 状态，放电管 t 截止，电容 c 又开始充电。如此周而复始，就可在 3 脚输出矩形波信号。 由图 6（b）所示，uc将在 vcc3 和 2vcc3 之间变化，因而可以求得电容 c 上的 充电时间 t1和放电时间 t2 ： t1=（r1+r2）c20.7（r1+r2）c t2=r2c20.7r2c 所以输出波形的周期为 t=t1+t2=（r1+2r2）c20.7（r1+2r2）c 振荡频率 f=1t1.44（r1+2r2）c 占空比 q= （r1+r2）（r1+2r2）50 如果 r1r2，则 q1，uc近似为锯齿波。 2.4 占空比可调的多谐振荡器电路 在图 7 所示电路中，由于电容c的充电时间常数1=（r1+r2）c，放电时间常数 2=r2c，所以t1总是大于t2，vo的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利 用半导体二极管的单向导电特性，把电容c充电和放电回路隔离开来，再加上一个电 位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图 7 所示。 由于二极管的引导作用，电容c的充电时间常数1=r1c，放电时间常数2=r2c。通 （图（图 7） f vi1 8 cc 3 1 v 555 0.01 5 c r o d 4 2 7 v v i2 6 v cc c1 vc d d1 2 1 r 2r 陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书)8 74ls160 et ep cpcp d0d1d2d3 q0 q1 q2 q3 co ld cr 过 与上面相同的分析计算过程可得：t1=0.7r1c t2=0.7r2c 占空比为： 21 1 21 1 21 11 7 . 07 . 0 7 . 0 rr r crcr cr tt t t t q 只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q，当r1=r2时， q=0.5，vo就成为对称的矩形波 2.5 同步十进制计数器 74ls160 同步十进制计数器 74ls160 如图所示： 图（图（8 8） 74ls160 管脚图 74ls160 是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四 种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。 数字式电容测试仪9 74ls160 的功能表如表 2 所示： 表二. 74ls160 的功能表 将 74ls160 构成十进制以下计数器可采用以下两种反馈方式： 2.5.1 反馈清零法 反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为 零（清零）。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数 器一定的输出状态下即时产生复位信号，使数电路同步或异步地复位。 2.5.2 反馈置数法 反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在滿足条件时， 计数电路输出状态为给定的二进制码。 2.6 位集成寄存器 74ls175 图 9 所示是由 d 触发器组成的 4 位集成寄存器 74ls175 的逻辑电路图。其中，rd 是异步清零控制端。d0d3 是并行数据输入端，cp 为时钟脉冲端，q0q3 是并行数据 输出端。 epetcp 功能 0 清零 10 置数 1111 计数 110 保持 110 保持 陕西科技大学毕业论文设计(设计说明书)10 图（图（9 9）位集成寄存器）位集成寄存器 74ls17574ls175 该电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端，d0 d3，在 cp 端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行的出现在四个触发器 端。 74ls175 的功能如表 3 所示 表三表三. . 74ls175 的功能表 1 1d4d cp rd 1d c1 r q q 1q1q 1d c1 r q q 1d c1 r q q 1d c1 r q q 2q2q3q3q4q4q 1 2d3d cprd1d 2d 3d 4d q1 q2 q3 q4 x0x x x x 0 0 0 0 11d 2d 3d 4d 11x x x x 01x x x x 1x x x x 保持 数字式电容测试仪11 4 结束语 4.1 总结 本设计完成题目所给的设计任务，设计了一台数字显示的电容测试仪，满足题目的 基本要求和一部分发挥要求。仪表有性能可靠、精度高、电路简单的特点。但是这种 把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量也有不足之处，主要是由 于电路的影响，输出的电容在某一个周期里误差会很大。也可以通过加入延时清零电 路，设置更多的档位来减小误差，使其精度更高。总体来说，本设计是成功的。 4.2 收获与体会 回顾起此次课程设计，至今我感慨颇多。的确，从查阅资料到电路设计，从理论 学习到实践总结，在整整两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是能学到好多东 西，不仅可以巩固以前所学过的电子技术专业知识，而且学到了仿真软件的基本操作。 通过这次课程设计，我懂得了理论与实践相结合的重要的，仅有理论的知识是远 远不够的，只有把所学到的专业知识与实践结合起来，从实践中得出结论，才能真正 的理解掌握理论知识，提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计的过程中难 免会遇到各种各样的问题，但是我们迎难而上，通过查资料和请教老师努力研究、解 决问题；同时在分析测容原理与设计的过程中发现自己的不足之处，如对以前学过的 专业知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，我们通过认真学习和掌握专业知识可以 更好的完成课程设计。 对这次设计的电路，我最满意的是量程控制所达到的高精度效果。为提高精度， 本仪表只显示 1009999 之间的数，当然具体的容值还要看量程档位。如果要更加完 善设计，还是有很大的发展余地的，比如说可以加入延时清零电路，可以设置更多的 档位等等。 我们组三人依据分工，高效率的查询了大量资料，电路图是我们依据原理自行设 计，然而结果却与理论上有不少出处，随着今后的学习我们也会继续将之改进。此次 课程设计不仅进一步巩固了我们是对