数字电容测试仪.doc

数字电子技术课程设计23目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求23 设计方案与论证33.1 方案的选择与可行性分析33.2 方案论证44 单元电路的设计与分析64.1 555定时器组成的多谐振荡器64.2 555定时器搭建单稳态触发器84.3 74LS160构成的计数器114.4 译码器和数码管构成显示电路115 电路的安装调试与仿真135.1 电路的安装调试135.2 电路的仿真146 结论166.1 总结166.2 收获与体会16参考文献19附录1：总体电路原理图20附录2：元器件清单21附录3：实物图221 课程设计的目的（1）掌握简易数字式电容测试仪的设计、组装与调试方法；（2）熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理；（3）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤；（4）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；（5）学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧；（6）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。2 课程设计的任务与要求（1）电容测量范围在0.01F100F之间；（2）用LED数码管显示测量值；（3）测量精度为10%。3 设计方案与论证3.1 方案的选择与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大小，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：一部分是数码管显示，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，我们共总结出下面三种参考方案。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：tw1.1RC。从式中可以看出，当固定时，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A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对A/D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：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，计数后再运算求出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，由tw的宽度就可求出电容的大小。可利用数字频率计的知识，频率的测量可用计数器计数来实现，通过计算参数使待测电容与计数值满足某一函数关系，通过这个函数关系可表示出待测电容的大小。而测脉冲宽度法事实上与测频率法相同，脉冲作为门控信号，与时钟脉冲发生器产生的固定频率相“与”，待测电容容量越大，脉冲宽度越宽，则相“与”后产生的计数脉冲越多，再按照测频率法的方法就可以测量出待测电容的容量。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。综上所述，本课程设计选择方案三来实现测量电容的容值。3.2 方案论证设计思路:本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容Cx。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容Cx值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精确度可以达到0.1%。然后把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，经过译码器，然后再送给显示器显示，这个时侯，如果标准频率脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示器显示的数字便是Cx的大小。设计的总体框图如图3-1所示。图3-1 设计的总体框图4 单元电路的设计与分析4.1 555定时器组成的多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图4-1所示，它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。图4-1 多谐振荡器电路其工作原理如下：多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C2上的电压UC略低于 ，Uo输出高电平，电源VCC通过R1、R2 给电容C2充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要 ， 输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C2上的电压UC略微超过 时，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，此时电容C2通过R2放电。随着电容C2放电，UC下降，但只要， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于 时，电路输出又变为Uo=1，电容C2再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为： （4-1）工作波形如图4-2所示：图4-2 多谐振荡器波形振荡波形的周期为： （4-2）其中 , ，占空比为： （4-3）因为时钟周期 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上 6脚有10的电流流入因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10。又因为要求Tx=2s，即时钟脉冲周期应为T=2ms。即： 。如果选择占空比q=0.6，即 q= =0.6 ，由此可求得： ，。取=0.1，则 ： = 11.43K ，=- 5.713K。 取标称值：=5.6K， =12K。最后还要根据所选电阻、的阻值，校算流过、的最小电流是否大于 10uA 。从图可以看出，当上电压达到时，流过、的电流最小，为: =95uA 。振荡周期： 4.2 555定时器搭建单稳态触发器由555定时器构成的单稳态触发电路如图4-3所示，它可以产生占空比一定的脉波，此脉波用来控制计数。在单稳态触发电路后加反相器用来控制锁存计数值。图4-3 单稳态触发电路单稳态触发器的工作原理如下：1稳定状态没有加触发信号时，输入为高电平。接通电源后，经电阻R3对电容C进行充电，当电容C上的电压时，输出。与此同时电容C迅速放完电，不变。2触发进入暂稳态当由高电平变为低电平时，此时，输出由低电平跳跃到高电平。此时，电源经R3对C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间内输入电压回到高电平。3自动返回稳定状态随着C的充电，电容C上的电压逐渐增大。当上升到时，输出由高电平跳跃到低电平。与此同时，C迅速放完电，。电路返回稳定状态。 单稳态触发器输出的脉冲宽度为暂稳态维持的时间（及占空比），它实际上为电容C上的电压由V充到所需的时间，可用下式估算: （4-4）式中R和C为外接电阻和电容。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、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，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。根据设计要求和Tx=1.1RCx可求得R=1.8K微分电路可取经验数值，取=1K，=10K，=l。4.3 74LS160构成的计数器计数器主要用来对时钟进行计数并送入显示电路显示。计数器选用74LS160进行设计较简便。 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。由三个74LS160构成的计数器电路如图4-4所示：图4-4 计数电路4.4 译码器和数码管构成显示电路74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器， 74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码， 可以直接把数字转换为数码管的显示数字，由三个74LS47译码器和三个数码管构成的显示电路如图4-5所示：图4-5 译码显示电路图5 电路的安装调试与仿真5.1 电路的安装调试(1) 查阅资料，了解数字电容测试仪的基本工作原理和工作原理电路图，把整体电路图分解成一个个单独的模块。(2) 通过查阅集成块的参考书，了解各个模块中的集成块的构造就作用，对集成块的使用方法已经集成块的输入输出端以及集成块的进制有一定得了解。(3) 通过网络，下载仿真软件，通过网络教程对软件的使用方法进行学习，初步学会通过该软件设计电路图。(4) 根据整体电路的要求，设计出各个部分模块的电路，通过示波器的检查，确保各个模块正常工作。(5) 把设计好的各个模块组装成整体的电路，并且根据设计指标进行调试，知道出现预期结果为止。5.2 电路的仿真仿真测量实验一：当电路参数调试符合要求后, 在待测电容处连接一个假设电容值为46的电容， 启动开关s,结果显示如图5-1:图5-1 仿真测试图1误差计算：，符合误差在10%之内的要求仿真测量实验二：开关打开闭合一次，显示屏清零，然后在待测电容处连接一个假设电容值为33的电容，打开开关S，结果显示如图5-2所示:图5-2 仿真测试图2误差计算：，符合误差在10%之内的要求。6 结论6.1 总结通过上面两个数值的测量，可以得出此数字电容测试仪的设计是正确的，可以比较准确的测量出一个待测电容的电容值，并且能够将误差控制在很小的范围内。只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。不足之处在于当被测电容容量在1到100之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01到1之间时，测量值误差较大，并且显示方面也出现了一点问题。但被测电容要求在0.01到100之间，为此，在原电路基础上我们进行了改进，由于Tx=1.1RCx，当Cx在0.01到1之间时，只要将R扩大100倍，那么Tx将与Cx在1到100时一样，即Tx在两种情况下大小相等，于是只要增加一个小量程档，就能有效地解决这个问题。6.2 收获与体会通过两周的课程设计，让我对数字电路知识有了进一步的了解，包括对一些元器件的功能和使用法有了进一步的认识，以前的学习主要在于原理方面，对器件单一的认知，缺少模块化的思想，而这次课程设计正好弥补了以前学习的不足，让我们更加注重于知识的运用，在实践中加深了对知识的理解。在这次课程设计中，令我感触最深的就是几位同学团结合作，一起把所学的理论知识变为现实生活中的应用。在实践中获取了不少知识，但更重要的时发现了自己在学习中思考不足动手不足的问题，在今后的学习中，我一定会针对这些问题改进学习方法，提高动手实践能力。 从抽到课程设计的任务到在软件中实现其功能，再到报告的撰写，这两周的时间对我们来说是受益匪浅的。 这是一次理论与实际相结合的过程，在这一过程中，我们终于能将所学的知识应用到生活实际中去。以前学习总感觉知识与实际脱离的太远，学得再好，过不了多长时间就全忘了，到头来学了也不知道有什么用，学了也没用到实处去。而这次课程设计，虽然我们只是在软件上实现其功能，而没有做出实物，但这也让我们充分体会到了知识的魅力，实践的乐趣。在设计过程中，多谐振荡器中电容电阻值的选择，量程的设计及单位显示电路的设计是值得注意的。74LS160对计数脉冲有一定的要求，同时多谐振荡器的频率也会影响测量精度。所以多谐振荡器的电容电阻值的选择有一定的讲究。在设计量程时，我是通过改变单稳态电路6、8引脚间的电阻值来设计的。当然，在整个设计过程中并非只遇到这几个问题。我们可能会因为一个问题而在电脑前调试好几个小时。但这发现问题、解决问题的过程就是我们学习的过程。只有这样，我们才能体会到成功后的喜悦，也只有这样，我们才能真正学到知识，开拓思维，提高动手能力。在我看来，拼装出这个电路是其次，因为在网上，资料书上很有可能就有这个电路。重要的是培养自己的设计、创新能力，解决问题的能力。在这两周期间，同学们相互讨论，相互交流，相互学习，无疑也是一次团结合作精神的培养。总的说来，这是一次综合能力的锻炼。也激发了我们动手的欲望，学习的激情。参考文献1 江晓安，董秀峰. 数字电子技术（第三版）. 西安：西安电子科技大学出版社，20082 杨力，文刚. 电子技术课程设计. 北京：中国电力出版社，20093 陈明义. 电子技术课程设计实用教