简易数字电容测试仪的设计.doc

简易数字电容测试仪的设计姓 名：杜春蕾 学号：20085042047单位：物理电子工程学院专业：电子信息工程指导老师：涂友超 职称：副教授摘要：随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，数字电容测试仪的适用范围也逐渐广泛起来。本文介绍了一种简易的数字式显示电容测试仪的设计思路及硬件结构。首先研究了数字电容测试仪的基本原理，画出整机框图，接着提出系统的性能指标，计算确定电路形式和元器件参数，然后根据原理图通过Simulink软件进行建模仿真，验证系统的可行性。仿真之后利用Protel99SE生成PCB板，进而制成电路板，最后进行调试，经验证系统已经基本达到了提出的性能指标。关键字：电容；Simulink软件；Protel99SE；PCB；调试Simple digital capacitance meter designAbstract:With the development of electronic industry，electronic components increased dramatically，digital capacitance meter applicable scope also gradually extended.In this paper， a simple digital display capacitance tester design and hardware structure are introduced.The first study of digital capacitance meter principle，draw the diagram，and then put forward the system performance index，calculate and determine the circuit and the parameters of the components，and then in accordance with the principles by Simulink software for modeling and simulation，validation of the feasibility of the system.Simulation after the use of Protel99SE generation PCB board，then making the circuit board，final debugging，experience card system has basically reached the proposed performance indexes.Keywords: Capacitor；Simulink；Protel99SE；PCB；debug1引言1.1设计背景及意义目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。由于测量电容方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555定时器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555定时器1将被测参数转化为频率，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。1.2电容测试仪的发展历史及研究现状当今电子测试领域，电容测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。2.系统概述该系统主要由标准脉冲发生器、单稳态触发器、测量控制电路、计数器、译码器和显示器等部分组成。其原理图如图1所示。图1 数字电容测试仪的原理框图2.1 设计目的（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。2.2设计内容及要求（1） 设计一个数字电容测试仪；（2） 测量范围为1000pF999uF；（3） 测量结果用3位数字显示；（4） 测量误差小于20%。（5） 组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统；（6） 画出数字式电容测量仪的电路图，写出设计报告。2.3方案论证与可行性分析在设计之初我查阅了大量的资料，进行了全面的考察，结合我们所学的知识，我进行了以下的方案论证及可行性分析：2.3.1恒压充电法测量2用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。2.3.2：恒流充电法测量3用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用AD或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是：。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。2.3.3用脉冲计数法测量电容4利用NE555电路的多谐振荡器或单稳态电路来测量。本方案采用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度TX 严格CX 成正比. 只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示. 如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字N 便是CX 的大小. 该方案的原理框图如图2 所示.，整个仪器结构简单，成本低廉，实验效果好，很适合本次课程设计。反向器单稳态触发器显示窄脉冲触发器秒脉冲发生器译码器锁存器记数器标准记数脉冲图2 脉冲计数法测电容流程图2.3.4可行性分析通过以上方案的比较，我选择了第三种设计方案。此方案是对555定时器与各集成芯片应用的一个成果，由此来掌握中大规模集成电路的设计及使用方法。简易数字式电容测试仪主要分为六大板块：由555定时器构成的多谐振荡器、555构成的单稳态触发器、计数器、CC4511构成的数码显示译码与锁存器、共阴极数码管、电阻电容构成的微分电路。3.各部分电路设计3.1时钟脉冲发生器5由于电容测试仪对精度要求不高，因此时钟脉冲发生器可以用555定时器和RC定时元件组成。电路如图所示。其振荡周期可以用以下式子计算：T=0.7(R1+2R2)C1由此可知，调整R1、R2和C1的参数可改变时钟脉冲的周期，控制端CO对接地的电容0.01uF用以消除干扰，电位器RW用以调节555定时器内部两个电压比较器的基准电压，可用于微调振荡频率。图3 时钟脉冲发生器3.2单稳态触发器6电路如图1下半部分所示。它的主要作用是将被测电容CX容量的大小转化成与之成正比的脉冲宽度。单稳态触发器由定时器555和RC定时元件组成。其工作原理如下：测量控制电路由R8、C3、S1和或门组成，主要用于提供单稳态触发器的负触发脉冲。未加触发信号时，单稳态触发器处于稳定状态，OUT1端输出低电平，使RD2端为低电平，多谐振荡器停止振荡。这时或门G1输入A点为高电平，单稳态触发器的触发输入端TR1也为高电平，电容C3两端的电压为0伏。当被测电容CX接入电路后，只要按一下测量开关S1，A点产生一个负尖脉冲，通过或门使触发输入端TR1产生负跳变，单稳态触发器进入暂稳态状态，这时输出OUT1端低电平正跳跃到高电平，其一方面通过C4、R9组成的微分电路及二极管VD输出的正尖脉冲使其计数器清零，同时使RD2为高电平，多谐振荡器开始振荡，输出端OUT2输出的时钟脉冲送入计数器进行计数。在单稳态触发器进入暂稳态期间，VDD经R4对被测电容CX进行充电。当暂稳态结束时，输出OUT1端由高电平负跃到低电平，RD2为低电平，RD2为低电平，多谐振荡器停止振荡，计数器停止工作。暂稳态维持的时间就是单稳态触发器输出的脉冲宽度Tw，可用下式进行计算：Tw=1.1R4CX由上式可以看出：单稳态触发器输出脉冲宽度TW时间内测得的时钟脉冲个数与被测电容CX的容量大小成正比。图4 单稳态触发器电路3.3计数、译码和显示电路73.3.1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4518进行设计较简便。4518是双BCD码同步十进制计数器，每个计数器包含两个时钟输入端：CP和EN。CP用于上升沿触发，要求EN=1；EN用于下降沿触发，要求CP=0。CR是异步复位端，高电平有效，正常计数时CR=0。这里，我们要测量的电容范围是0到999pF，需要三位十进制计数器进行级联。其级联的方法是将低位的Q3端接高位的EN端，高位计数器的CP端接地。其输出端Q3Q2Q1Q0输出8421BCD码，接显示译码器的代码输入端。电路如图5所示。图5 计数器电路图6 译码显示电路路3.3.2译码器电路译码显示电路的设计比较简单，只需选择合适的4线-7线显示译码器，并将计数器输出的8421BCD码作为显示译码器输入的代码，器7段的输出信号和七段LED数码显示器相应段相连后，则七段数码显示器便显示相应的十进制数字。显示译码器选用4511，该译码器为BCD-七段锁存/译码/驱动器，其数据输入端接计数器Q3Q2Q1Q0端输出的BCD码，译码器的输出端接共阴极七段半导体数码显示器。控制端LT和BI接高电平，LE接低电平，具体接法见图6。3.4量程选择与单位显示8 量程的控制是通过改变标准电阻来实现的，不同值的电阻与不同量程的电容相适应。其原理图如图7：图7 量程选择电路档位分析如下：第一档=1.1R =（1000pF1uF） =(s)第二档=1.1R = (1uF10uF) = (s)第三档=1.1R =（10uF100uF） = (s) 第四档=1.1R =（100uF1000uF） = (s)其电阻值如下表所示：4.5 按键电路9按键是实现人机对话的比较直观的接口，可以通过按键实现人们想让单片机做的不同的工作。键盘是一组按键的集合，键是一种常开型开关，平时按键的两个触点处于断开状态，按下键是它们闭合。键盘分编码键盘和非编码键盘，案件的识别由专用的硬件译码实现，并能产生键编号或键值的称为编码键盘，而缺少这种键盘编码电路要靠自编软件识别的称为非编码键盘。平时我们用的的较多的是非编码键盘。图8就是一种比较典型的按键电路，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的低电平。图8 按键电路4 重要芯片介绍4.1 555定时器10的介绍555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。通常只需外接几个阻容元件，就可以构成各种不同用途的脉冲电路，如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时电路有TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路，它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。 双极型产品型号最后数码为555，CMOS型产品型号最后数码为7555。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V到16V 工作，7555 可在 3V到18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。4.1.1内部电路组成图9 555内部电路原理图4.1.2 555的工作原理它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。4.1.3 555电路的引脚功能触发阈值复位IS放电端输出H导通LH原状态H截止HL导通L表:1 555芯片的引脚功能图4.1.4 555电路的应用（1）555定时器构成单稳态触发器 图10 555构成单稳态触发器上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到端。并使2端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容开始充电，按指数规律增长。当充电到时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。（2）555定时器构成多谐振荡器如图14，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及通过向放电端放电，使电路产生振荡。电容在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图15所示。图11 555构成多谐振荡器 图12 多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是： 主要参数计算：改变、和的值，就可以改变振荡器的频率。如果利用外接电路改变端(5号端)的电位，则可以改变多谐振荡器高触发端的电平，从而改变振荡周期T。在实际应用中，常常需要调节和。4.2显示译码器CD451111CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。（1）CD4511引脚图如下：图13 CD4511引脚图各引脚的名称： 7、1、2、6分别表示A4、A3、A2、A1；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g8、16分别表示的是VDD、VSS。左边的引脚表示输入，右边表示输出。其各引脚功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。（2）CD4511的工作原理1 锁存功能：译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通与截止由控制端LE的电平状态决定。当LE为“1”时，此时有锁存作用。 2 译码：CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。3 消隐：BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为 J= =（C+B）D+BI 如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D，据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。表2 CD4511的真值表输 入 输 出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 4.3 CD4518芯片12CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。 CD4518引脚功能(管脚功能)如下：1CP、2CP：时钟输入端；1CR、2CR：清除端；1EN、2EN：计数允许控制端； 1Q01Q3：计数器输出端；2Q02Q3：计数器输出端；Vdd：正电源；Vss：地。CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端为高电平，若用时钟下降沿触发，信号由EN输入，此时CP端为低电平，同时复位端CR也保持低电平，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态。否则没办法工作。 将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。5. PCB板的设计及系统的调试5.1 Protel99SE13介绍与PCB板的设计Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。5.1.1 Protel99SE的系统组成按照系统功能来划分，Protel99SE主要包含以下两大部分和6个功能模块。1、电路工程设计部分(1)电路原理设计部分：电路原理图设计部分包括电路图编辑器、电路图零件库编辑器和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。(2)印刷电路板设计系统：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器(简称PCB编辑器)、零件封装编辑器和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。(3)自动布线系统(Advanced Route 99)：本系统包含一个基于形状(Shape-based)的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。2、电路仿真与PLD部分(1)电路模拟仿真系统(Advanced SIM 99)：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。(2)可编程逻辑设计系统(Advanced PLD 99)：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器(Waveform)。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。(3)高级信号完整性分析系统(Advanced Integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。5.1.2 Protel99SE的功能特性1、开放式集成化的设计管理体系2、超强功能的、修改与编辑功能3、强大的设计自动化功能本设计中，PCB的设计如图18所示： 图14 PCB设计图5.2 系统的安装与调试按照整机电路图接好电路，整体电路图如图18。检查整机电路接线无误后，方可进行个部分电路调试。调试步骤如下：1、调试时钟脉冲振荡器将RD2和OUT1连线断开后接VDD，同时将OUT2和计数器的连线断开。接通电源VDD后，用示波器观察振荡器是否有振荡波形输出。2、调试单稳态触发器接入被测电容CX，按下开关S1，观察OUT1端是否有单个矩形脉冲输出。3、调试计数器、译码器和LED数码显示器将时钟振荡器OUT2端和第一级计数器的时钟端相连，接通电源VDD后，计数器开始计数，LED数码显示器应显示计数情况。4、整机调试将RD2端和VDD端断开，并和单稳态触发器的OUT1端相连，这时每按一次开关S1，计数器在OUT1端输出矩形脉冲期间计数器从开始记一次数，并调试振荡器的电位器RW，是显示的数字和被测电容CX的标称值接近。图15 整体电路图5.3 存在的问题及解决方法（1）电路设计本身就是个硬功夫，在设计初期，我的经验不足，设计的电路从排线到性能上，都与期望的结果相去甚远，通过查阅相关资料，经过反复的实践联系，最终设计出了结果简洁，思路清晰的电路图。（2）对于各集成芯片的选用时，由于应用软件的一些限制找不到想要的那个芯片，就得找同功能的芯片代替，这样导致寻找适当的芯片以及它的管脚功能成很大的问题。（3）对电路图整体的布局使其变得更加美观，这也是电路设计的不可缺少的一部分。6.结束语6.1设计总结经过两周的辛勤设计，我终于收获了成果。我们从头到尾都是一步一步踏踏实实走过来的，首先通过参考各方面得资料，最后还原到课本，分析自己所熟悉的电路模块，查看其工作原理和其他相关器件所具有的功能。既丰富了自己的知识，同时也给本次设计提供了参考。我所设计的数字电容测量仪，采用了比较简单成熟的门控法，充分应用了我们的所学过的知识：稳态触发器的输出脉宽T与电容C成正比等等。通过我的不懈努力，最终再通过一系列的控制，计数，显示电路来成功的实现。本次课程设计是理论与实践相结合的一次体验，在课程设计的过程中，我充分的体会到了思考特别是独立思考和不断创新的重要性。6.2 课设心得本次课程设计对数字电子技术有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，考验了我借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力。致谢 在本论文完成之际，首先要向我的指导老师涂友超以诚挚的谢意。在论文的写作过程中，涂老师给了我许多的帮助和关怀。涂友超学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在涂老师的悉心指导中，我不仅学到了扎实的专业知识，也在怎样处人处事等方面收益很多；同时他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅。在此我谨向马老师表示衷心的感谢和深深的敬意。同时，我