简易数字式电容测试仪.doc

摘要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，验证系统的可行性。由于单稳态触发器的脉冲宽度DC与电容C成正比，把电容C转换成脉冲宽度为DC的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计出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，数码显示的数字N便是待测电容C的值。关键字:多谐振荡器；单稳态振荡器； 555,；计数器Abstract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，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。With the development of electronic industry, electronic components have increased rapidly, and the application of digital capacitance tester is becoming wider and wider. In this paper, a simple digital display of the design idea and the hardware structure of the test instrument is introduced. Firstly studies the basic principle of digital measuring instrument for capacitance, draw the block diagram of the machine, and then put forward the performance index of the system, calculate and determine the form of a circuit and the parameters of the components, and verify the system feasibility.由于单稳态触发器的脉冲宽度dc与电容C成正比，把电容C转换成脉冲宽度为dc的 矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计出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，数码显示的数字N便是待测电容C的值。Because of the single steady state trigger pulse width DC and a capacitor C is proportional to, the capacitor C is converted into a pulse width rectangular DC pulse, then the gate signal control counter to count the number of pulse frequency standard, and sent to latch, decoding display system can be measured capacitance value. The clock pulse can be provided by a multi harmonic oscillator composed of 555. If the clock pulse is appropriate, the digital N is the value of the capacitance C.Key words: multi harmonic oscillator; single steady state oscillator; 555; counterI目录前言11系统概述21.1总体方案的选择及可行性分析21.2方案论证31.2.1设计思路31.2.2设计的总体框图32单元电路设计分析 42.1 555定时器42.2同步计数器52.3计数器反馈方式62.3.1反馈清零发62.3.2反馈置数法62.4 四位集成寄存器72.5单稳态触发器83结束语103.1总结103.2收获与体会10致谢11参考文献12辽宁工程技术大学课程设计前言目前，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。电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。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 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C值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面二种参考方案：方案一可由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：DC=RC31.1RC。式中可以看出，当R固定时，改变电容C则输出脉宽dc跟着改变，由dc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，dc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。方案二：先把电容C转换成宽度为DC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dc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。1.2 方案论证1.2.1 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DC的矩形脉。1.2.2设计的总体框图该方案的总体方框图如图1-1所示：图1-1总体方框图 Figure 1-1 overall block diagram2 单元电路设计分析2.1 555定时器555电路符号如图2-1-1所示，如图2-1-2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。图2-1 555等效功能框图Figure 2-1 555 equivalent functional block diagram2.2 同步计数器同步十进制计数器74LS160如图2-2所示：74LS160ETEPCPD0D1D2D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CO 图2-2 74LS160管脚图74LS160 2-2 pin diagram74LS160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。表2-1 74LS160功能表Table 2-1 74LS160EPETCP功能0清零10置数1111计数110保持110保持2.3计数器反馈方式将74LS160构成十进制以下计数器可采用两种反馈方式。一种是反馈清零法，另一种是反馈置数法。以下是两种反馈方式的特点。2.3.1 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。2.3.2 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。2.4 四位集成寄存器图2-3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。D1D4是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q1Q4是并行数据输出端。图2-3 位集成寄存器74LS175Figure 2-3 4 bit integrated register 74LS175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，D0D3，在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升作用后，四位数码并行的出现在四个触发器端。表2-2 74LS175功能表Table 74LS175 2-22.5单稳态触发器 图2-5-1 74121的逻辑图及管脚图 Figure 2-5-1 74121 logic diagram and pin diagram如图2-5-1为TTL集成器件单稳态触发器74121的逻辑图及管脚图。74121由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器、输出缓冲电路三部分组成。其电路工作原理与单稳态触发器基本相同。电路只有一个稳态Q=0,Q=1。当图中a点有正脉冲触发时，电路进入稳态Q=1,Q=0。Q为低电平后使触发信号控制电路中RS触发器的G2门输出为低电平，将G4门封锁，这样即使有触发信号输入，在a点也不会产生微分型单稳态触发器的触发信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。.触发方式。74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知在下述情况下，电路可由稳态翻转暂稳态。其功能表如下表所示。 表2-3 74121功能表Table 2-3 74121若B为高电平，A1、A2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的跳变。若A1、A2输入中有一个或两个为低电平，B 发生由0到1的正跳变。定时。单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C 的正极连接在Ct输出端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择：采用内部定时电阻（2 k），此时将9号引脚（R）接至电源VCC（14脚）。采用外接定时电阻（阻值在1.440k之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74121的输出脉冲宽度t0.7RC。通常R的数值取在230k之间，C 的数值取在10pF10F之间，得到的取值范围可达到20ns200ms。该式中的R可以是外接电阻R，也可以是芯片内部电阻R(约2k)，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。3 结束语3.1 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。3.2 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，不仅巩固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，当然具体的电容值要看量程档位。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。致 谢在本论文完成之际，首先要向我的指导老师陈国明以诚挚的谢意。在论文的写作过程中，陈老师给了我许多的帮助和关怀。