电子技术应用实习报告-数字式电容测量仪的设计.docx

数字式电容测量仪的设计目 录1 实习目的、内容和要求.12 设计原理及软件简介3 2.1 设计原理.3 2.2 Multisim软件简介.33 设计步骤和过程4 3.1多谐振荡器电路.4 3.2单稳态触发器电路.5 3.3计数和显示电路.7 3.4 总电路原理图.84 设计的仿真和运行结果9 4.1 电路的调试.9 4.2 结果及分析.105 结论.11 5.1实习过程中遇到的困难及解决办法.11 5.2结论 .11参考文献.12附录.13附录A 数字式电容测量仪电路图 .13附录B 数字式电容测量仪元器件清单.141 实习目的、内容和要求 1.1 实习目的本次实习的目的在于掌握数字电容测试仪的设计、组装与调试方法。在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。但是由于电容自身特性决定了电容和电阻的测量是不一样的，电容的测量相对于电阻测量复杂，精确度不高。因此我们旨在设计一种可以测量电容大小的电路，并且采用七段数码管直接在屏幕上显示电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。1.2 实习内容1.2.1设计说明：框图中的外接电容是定时电路中的一部分。当外接电容的容量不同时，与定时电路所对应的时间也有所不同，即C=f(t)，而时间与脉冲数目成正比，脉冲数目可以通过计数译码获得。定时电路多谐振荡器计数器译码器数码显示器微分电路自动调零外接电容图1 电容测量仪原理框图1.2.2设计要求：1.2.2.1基本部分(1) 被测电容的容量在0.01F至100F范围内(2) 设计两个的测量量程(3) 用3为数码管显示测量结果，测量误差小于20%1.2.2.2 发挥部分(1) 至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100F范围内。(2) 测量误差小于10%。1.3实习要求（1） 画出总体设计框图，以说明数字式电容测量仪由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。（2） 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。（3） 选择合适的元器件，在仿真软件上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。（4） 在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。（5） 自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。2 设计原理及软件简介2.1 设计原理定时电路多谐振荡器计数器译码器数码显示器微分电路自动调零外接电容图2电容测量仪原理图图框图多谐振荡器产生矩形脉冲波与定时电报和微分电路产生的信号相与后送入计数器，然后通过译码器连接数码显示器，对电容大小进行显示。2.2 Multisim软件简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3 设计步骤和过程3.1多谐振荡器电路由555定时器构成的多谐振荡器来产生标准脉冲，电路和输出脉冲如图图3 多谐振荡器电路图图4 输出信号波形在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。此电路中用来产生时钟脉冲信号（如图所示）。周而复始，形成振荡。其振荡周期与电容充放电时间有关，充电时间为：T1=（R4+R5）Cln2,，放电时间为T2=R5Cln2,则时钟信号一个周期为T=T1+T2=(R4+2R5)Cln2。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u=1电容放电时，u=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3.2单稳态触发器电路由555定时器构成的单稳态触发器。2端作为触发信号的输入端，由U1产生的时钟脉冲信号来提供。图5 单稳态触发器电路图图6 输出信号波形单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。当被测电容Cx接到电路中之后，只要按一下开关S，电源电压Vcc经微分电路C1、R1和反向器，送给555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx然后单稳态电路又回到稳态。输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。即：tw=R2*C2*Ln2=1.1R2*C2。3.3计数和显示电路图7 计数和显示模块电路计数电路采用74LS160作为计数器。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。三位的显示控制模块由三个芯片级联构成。显示部分电路中显示器用的是DCD-HEX-BLUE显示器。3.4 总电路图图8 总电路图总电路图包含多谐振荡器，单稳态触发器，计数器，译码器等模块，能够成功仿真电容测量仪的功能。4 仿真和运行结果4.1 电路的调试电路连接完成后打开仿真开关，首先观察显示模块是否能够显示数值，若没有示数显示，则使用Multisim 13.0中的示波器逐个检查各个模块的信号输出波形，找出出现问题的模块根据设计原理判断是连接故障还是原理故障，并加以排除。图9 示波器检测输出波形若显示器上显示数值，观察是否符合设计要求，若不符合设计要求，观察是否是电容测量量程选择出现错误，改变电容测量量程选择开关重新进行仿真，观察结果。若量程开关选择正确，则可适当改变电路中原件的参数值，进行不断的调试，直到达到预期的设计目标要求。图10 量程选择开关4.2 结果及分析 4.2.1小量程仿真结果图11 小量程测量 电容大小在0.01uF1uF时单刀双掷开关置于180K，如图所示电容大小为0.13uF，结果显示为0.14uF，误差5%，符合设计要求。 4.2.2 大量程仿真结果图12 大量程测量电容大小在1uF100 uF时单刀双掷开关置于1.8K，如图所示电容大小为73uF，结果显示为72uF，误差5%，符合设计要求5 结论.5.1 设计过程中遇到的困难及解决办法在电路调试过程中发现多谐振荡器没有产生输出信号，示波器的输出信号一直显示低电平。将多谐振荡器电路单独建立一个设计图纸，逐个原件去查找出现故障原因，发现故障是由于有一根导线没有连接电源所致，及时对电路进行修改，完成调试过程。把所有模块全部连接起来以后，运行该数字电容测试仪时，显示屏上一开始一直显示的是111，每次测试的时候都是从111这个数值的基础上开始累加。后来经过我们对电路的研究，发现没有设计调零电路，所以我们在电路图上设计了一个自动调零电路，这样，从111开始计数的问题就解决了。 5.2结论在两个星期的电子技术应用实习之后，我对电子产品设计的一般方法和步骤有了深入的了解，我不仅感到了自己的实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我对专业知识的兴趣，并为以后能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习打下了基础。这次数字电容测试仪的设计使我把学到的由555定时器组成的多谐振荡器和单稳触发器，74LS160十进制加法器以及LED数码管都运用到了电路中，从而加深拉了我对这些知识的理解和运用，使我受益匪浅。通过这次实习，使我认识到了自己要学习的还有很多的。总之，很感谢学校给我们这次实习的机会。课程实习不但锻炼了我们的动手能力还让我们对自己所学的专业知识有了更深的理解。在此期间，在老师的身上我也学得到很多实用的知识，在此表示对我们指导老师的感谢。还有我们同组的帮助过我的同学也表示感谢。参考文献1. 模拟电子技术基础 童诗白主编 高教出版社 2. 数字电子技术基础 阎石主编 高教出版社 3. 电子技术基础实验电子电路实验.设计.仿真陈大钦主编华科出版社 4. 电子技术基础实验与课程设计 高吉祥主编 国防科技大学出版社 5. 电子测试技术 金唯香、谢玉梅主编 湖南大学出版社 附录A 数字式电容测量仪电路图附录B 数字式电容测量仪元器件清单名