数电课设电容测试仪.doc

武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书目录摘要11.绪论21.1设计的目的和意义22. 设计方案及论证32.1设计方案32.2方案论证53. 单元电路设计、参数计算53.2矩形脉冲产生模块63.3计数器模块73.4锁存译码显示模块84. 系统原理综述105. 芯片介绍115.1 555定时器115.2 74ls390计数器115.3 74ls273锁存器125.4 CD4511译码器136. 实物展示147.心得与体会16参考文献17附录一18附录二19摘要 设计共有三大组成部分：一是方案比较，概括讲解了不同测量电路的设计思想和优缺点；二是所采取方案各单元所用器件的性能和在电路中的功能，以及仿真结果。使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐振荡，能产生多谐振荡的555电路，输入到74LS160计数器，74LS160计数后，计数结果送至74LS73进行锁存，经CD4511译码后最后通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电容值。 由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比，把电容C转换成宽度为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-显示系统就可以得到电容量的数据。在报告中给出了原理图的仿真和实物的焊接图，实际调试的测量图也给与展示。关键词： 闸门信号 标准频率脉冲1.绪论数电课程设计是作为数字电子技术基础的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字电子线路设计和调试的方法，增加模拟电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。按照本学科教学培养计划要求，在学完专业基础课电路与电子技术后，应安排课程设计教学实践项目，其目的是使学生更好地巩固和加深对专业基础知识的理解，学会设计中、小型电子线路的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。1.1设计的目的和意义1.1.1设计目的1、根据给出的技术和指标，设计电容测试仪。2、掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。3、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。4、增强对课本理论知识的理解，并提升到时间制作当中，学以致用。1.1.2设计意义1、很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。固定电容的容量可直接从标称容量上读出，而可调电容的容量则不确定，因此，设计一个简易电容测试仪作为测量工具是有必要的。2、如果本次课程设计可以成功，不仅可以使我们更好地理解调频无线话筒的原理，也会增加我们探索无线电的兴趣。如果设计不成功或达不到要求，本次课程设计也会使我们明白实践与理论的结合需要多加练习，从而认识到自己的不足，在以后的学习中加强实践。总之，这次课程设计会帮我们提高很多。2. 设计方案及论证2.1设计方案2.1.1方案一 像测量R一样，测量电容C的最典型的方法是电桥法，如图1所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件为图2.1.1原理图 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以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。2.1.2方案二 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器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，当稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCln31.1RC。从式可以看到，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tW跟着改变，由tW的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V0取平均值，由于电容量的不同，tW的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电容C的大小。如果把平均值送到位A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。2.1.3方案三 标准频率比较法。很多仪表都是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。在此基础上，把电容C转换成频率信号f, 转换的原理是555振荡器的振荡周期T=0.7(Ra+2Rb)C, 周期T与电容的电容量C成正比，通过闸门控制电路控制计数器，对闸门内的脉冲进行计数，并由LED数码管显示出电容量。其原理框图如图2.1.3。 图2.1.3原理框图2.1.4方案四标准频率的产生，用555多谐振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲。用单稳态触发器电路把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数部分电路，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。原理框图如2.1.4。图2.1.4原理框图2.2方案论证由于方案一电路参数不易计算，判别较难，方案二电路形式复杂不易实现，方案四是在方案三的基础上加以改进使测量更加方便，所以选择方案四。3. 单元电路设计、参数计算3.1标准频率产生模块3.1.1原理图的构成 将555定时器与几个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式555多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7（+2）C 的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往74LS160开始计数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。当接通电源Ucc后，电容上的初始电压为0V，比较器、输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过、向充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容通过到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出Uo又翻回到1状态，放电管T截止，电容又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。电容上的充电时间T1和放电时间T2分别为：T1=0.7(+)C1，T2=0.7，输出矩形波的周期为：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C1，振荡频率：f=1/T=1.44/(+2)，占空比：q=(+)/(+2)。=1k、=5k、=1nF，这样取值的目的是为了方便计算。 图3.1.1标准频率产生原理图3.1.2仿真输出波形图图3.1.2标准波仿真图3.2矩形脉冲产生模块3.2.1原理图的构成 由555定时器构成的单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容的容值。 555单稳态触发器的工作原理为：接通电源瞬间，Uc=0V,输出Uo=1,放电三极管T截止。Ucc通过R给C充电。当Uc上升到2Ucc/3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Uo=0。同时，放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Ui=1。当输入负脉冲后，触发器发生旋转，使Uo=1，电路进入暂稳态。由于Uo=1，三极管T截止，电源Ucc可通过R给C充电。当电容C充电至Uc=2Ucc/3时，电路又发生反转，输出Uo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。暂稳态时间由RC电路参数决定，输出脉冲宽度Tw=1.1RC。R取值分别为7MK和7K从而保证待测电容的范围从皮法到微法。单刀双掷开关可以用来选择量程。参数的选择：因为测试电容的原理是:闸门信号Tw=1.1RCx，而振荡器输出周期为T=0.7（R1+2R2）C的基准脉冲，我们设置电路使0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx，等式两边同时约去N和Cx，那么在闸门信号闸门内有N个基准脉冲，电容值就为N(Cx)。因为此次课程设计的要求为100pF-1uF，多谐电路中、的取值分别为1k、5k、1nF。只需要将R的值设置为7Mk、7k两个量程即可进行100pF-10uF的量程测试。图3.2.1脉冲发生模块原理图3.1.2仿真输出波形图图3.1.1矩形脉冲波形图3.3计数器模块3.3.1原理图的构成 本设计中的74LS390芯片是用于计数的，因最终结果要显示四位，故要用两74LS390 芯片来实现。 由于74LS390为双二-五-十进制计数器，为使她能够对四位十进制数进行计数，需将其拓展，即级联。74LS390得级联方式很多，本设计中，我们使用低位片的进位，作为高位片的触发脉冲来实现。即低位片每向高位进为一次，高位计数一次。由此可实现10000进制计数。 图3.1.1计数器模块原理图3.4锁存译码显示模块3.4.1原理图的构成 由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，因此我们用了一个74LS273做成的锁存器。当555单稳态输出负脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS273的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS273的CP脉冲输出当前的数据 由74LS273构成的锁存电路对计数值进行锁存。74LS273工作原理是：MR为高电平，当CLK输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输入信号变动，直至下一个上升沿到来。这里的CLK输入由单稳态输出接反相器得到。当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁存，以正确显示电容值。译码输出部分采用显示译码器CD4511和个共阴数码管进行显示。图3.4.2锁存译码显示部分原理图3.4.2仿真输出图3.4.2 C=5uF 仿真输出图3.4.3 C=100pF 仿真输出4. 系统原理综述 使用了两个555，一个用来产生单脉冲，一个是多谐振荡，能产生多谐振荡的555电路，输入到74LS160计数器，74LS160计数后，计数结果送至74LS73进行锁存，经CD4511译码后最后通过数码显示管显示出来，数码管显示的数字即为电容值。 具体实现为：555产生单脉冲，其时间Tw为一个时间长度，即为脉冲宽度。然后多谐振荡产生连续的方波，其时间长度远小于单脉冲，即其脉冲宽度远小于单脉冲，单脉冲的脉冲宽度是多频的整数倍。相与后输出的脉冲个数就是Tw时间内脉冲的个数。电容通过555转化为Tw时间内连续脉冲的个数，而输出的就是Tw时间内连续脉冲的个数N的值。 根据555的性质由相关0.7（R1+2R2）*N=1.1RCx公式知，要测电容就必须知道和R的值，为方便计算其中R1+2R2总取值为11k，由于本次课设的测量范围是100pF1uF，所以R的取值为7Mk和7k便于换挡。最后将数值N用数码管进行显示出来。 总的来说，本设计的基本思路就是利用555，将电容的模拟信号转为数字信号，再用计数器进行计数，最后通过译码管和数码管译码、驱动、显示出来。5. 芯片介绍5.1 555定时器 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 图5.1.1 555引脚图555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555. 555引脚图介绍如下:1 地 GND 2 触发 3 输出 4 复位 5 控制电压 6 门限(阈值） 7 放电 8 电源 Vcc5.2 74ls390计数器图5.2.1 74ls390引脚图 这种双单片电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4位计数器，可以实现等于2进制计数、5进制计数乃至100进制计数。当用单个二五进制时可构成一个十进制计数，两个则可以百进制，我们用了四个数码管进行显示，所以我们用了两片74ls390进行计数。图5.2.2为其功能表。图5.2.2 74ls390功能表5.3 74ls273锁存器 74LS273是8位数据/地址锁存器，他是一种带清除功能的8D触发器，1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。图5.3.1为其引脚图。图5.3.1 74ls273引脚图5.4 CD4511译码器 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。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。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。图5.4.1 CD4511引脚图6. 实物展示图6.1.1 实物图图6.1.2 47pF实物显示图图6.1.3 1000pF实物显示图图6.1.4 22nF实物显示图7.心得与体会 本次课程设计期间还进行了一些考试，加上本设计需要寻找大量的资料，时间其实还是比较紧迫的。这次设计是我们小组三个人，思路很不一致，各有各的想法，于是我们决定一起讨论方案得到认可后便开始各自的准备。首先在网上搜集了各种方案，经过仔细比较再结合平时在课堂上学的知识最终确定了自己的方案。 相对来说，我们组抽到的这个题的涵盖面很广，不仅有数电方面的知识还包括模电、电路等，因题目只给出了最后需要达到的效果及要求，因而可供思考的余地很宽，这也给了我们充分的发挥空间。 通过这次课程设计，我们深刻的认识到知识间的融会贯通