数字电容表设计-毕业设计.doc

数字电容表设计学生：XX 指导教师：XX内容摘要：新时代,科学技术不断的腾飞中。电子仪器数不胜数,层层不出，同时，各种电子产品也不断更新完善。给人类带来了无穷的利益。大电容测量仪亦也是如此,品种种类繁多,功能强大完善.而以下所设计的是一种精度比较高，操作非常简便的电容测量仪。并且此电容表设计是基于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，是把电容C转换变成宽度为tw的矩形脉冲，接着将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，最后送锁存-译码-显示系统就可以得到电容量的数据关键词：大电容测量仪 电容表 矩形脉冲 digital capacitance table designAbstract:The new age, the rapid development of science and technology continuously. Counting the electronic instrument, layer upon layer out, at the same time, various kinds of electronic products is also constantly updated perfect. Brought infinite interests. Large capacitance measuring instrument is also is such, breed varieties, powerful perfect. And the design is a kind of precision is higher, the operation is very simple capacitance measuring instrument. And the capacitance table design is based on a single state trigger the output pulse width tw and capacitance c is proportional to the capacitance C conversion is become the rectangular pulse width for tw, then as a gate signal control counter plan the number of standard frequency pulse, eventually give latch-decoding-show that the system can get electric capacity data Keywords: large capacitance measuring instrument capacitance table rectangular pulse.目 录前言11 设计内容及要求12 系统所需元器件13 方案论证13.1 方案一23.1.1 产生脉冲部分23.1.1.1 标准脉冲产生电路图23.1.1.2 产生标准脉冲图像23.1.1.3 待测脉冲产生电路图23.1.1.4 产生待测脉冲图像33.1.2 计数部分33.1.3 显示部分43.2 方案二53.2.1 产生脉冲部分53.2.2 计数部分63.2.3 显示部分63.3 最终方案64 数字电容表各模块电路设计及说明74.1 NE55574.2 CD451874.3 CD451184.4 CD409394.5 脉冲发生电路设计94.6 电容计数电路设计114.7 显示电路设计115 数字电容工作原理及设计电路135.1 工作原理135.2 电路图136 protues仿真测试146.1 第一档位读写需乘以10146.2 第二档位读写需乘以100157 系统调试与测试167.1 调试与测试167.2 调试中出现的故障、原因及排除方法。188 结束语189 参考文献2121数字电容表设计前言 当代大学生在即将步入社会时，在校的毕业设计可以说是综合性较强的设计制作项目，相当于一项小型科研，它综合了我们整个大学阶段所学的知识，也需要较为扎实的理论知识等，同时也使理论知识在实践中得到了应用和巩固，也得到了进一步的更新。电子技术的飞速发展，新型简易数字电容表不断出现，使数字电容表有了日新月异的发展。近年来，数字电容表在工业生产，家用电器，安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。1 设计内容及要求l 利用给定的元器件设计一个能测量并显示电容容值大小的数字电容表；l 用3位数码管显示；l 测量范围100pF105pF，误差小于10% 。l 在计算机上用multisim仿真优化。l 在万能板(孔孔板)上安装、调试。2 系统所需元器件n CD4511 三块n CD4093 一块n NE555 两块n 共阴数码管 3个n 10K滑动变阻器1个n 电阻：470两个、10一个、250一个n 电容：0.1uF四个、100pF两个、1M三个、6.5M一个n CD4518 三块3 方案论证 3.1 方案一 本方案可分为三大部分：产生脉冲部分；：计数部分；：显示部分；3.1.1 产生脉冲部分使用两片NE555产生标准脉冲和待测脉冲,根据参考NE555的资料说明设计了如下图的电路：3.1.1.1 标准脉冲产生电路图图3.1.1.1-1 标准脉冲电路图3.1.1.2 产生标准脉冲图像图3.1.1.2-1 标准脉冲图像3.1.1.3 待测脉冲产生电路图 图3.1.1.3-1 待测脉冲产生电路图3.1.1.4 产生待测脉冲图像图3.1.1.4-1 待测脉冲图像参考公式：计算高电位时间公式：t1=0.693(R1+R2)C1;计算低电位时间公式：t2=0.693R2C1;计数脉冲周期公式：T=t1+t2；通过这三个公式，改变电容电阻的值即可改变波形大小及占空比。3.1.2 计数部分计数部分选用三片CD4518来实现计数功能。同时还需要考虑对MR清零处理，这也是部分的关键之一。根据参考CD4518的资料说明以及查阅相关图书电路设计了如右图的电路用来实现计数功能：设计对MR的清零处理时花费较长的时间，实现清零最终目的其实就是要在一个待测周期开始计数前产生一个短时间的高电平来实现清零，然后一直为低电位直到下一个周期脉冲开始为止的脉冲输入信号。如下图： 图3.1.2-1 MR脉冲清零图像为了实现上图所示的脉冲信号，我们采用了RC微分电路来实现，即将待测脉冲信号通过RC微分电路后即可形成。具体电路及清零脉冲输出波形如下：图3.1.2 -2 RC微分电路3.1.3 显示部分显示部分我们采用了三片CD4511分别驱动三个七段数码管，这样做的优点就是数码管不存在分时点亮的问题，缺点是实际线路变得比较复杂。与此同时，还有一个非常重要的难题就是控制如何控制LED的显示。我通过查阅阅读相关资料，总结出只要控制CD4511的LE端的输入脉冲可以解决这个问题。接下来就要考虑如何产生这个脉冲信号，我们用的是RC微分电路结合CD4093与非门来实现。具体分析是：将待测脉冲输入信号通过一个与非门的两个输入端，相当于通过了一个非门，这样实现了高低电位的反转。之后将通过非门后的脉冲信号接入到RC微分电路中，获得上升沿脉冲，最后将其接到另一个与非门中就得到了需要的脉冲信号。具体电路图如下：图3.1.3-1 脉冲信号电路图产生脉冲信号波形如下：图3.1.3-2 脉冲信号波形3.2 方案二本方案也可分为三大部分：产生脉冲部分；：计数部分；：显示部分；3.2.1 产生脉冲部分采用集成度相对较高点的NE556,NE556实质上是两片NE555的集合，因此，在原理上并没有太多差异，只是接口标号不同而已。这里就不再赘言。3.2.2 计数部分计数部分采用一片MC14553来完成。区别于用CD4511，MC14553使用更加方便，功能也有所增加。不过，想要实现对MR的清零处理也要相应的改变。3.2.3 显示部分为了配合MC14553，我们采用了一片CD4511和三个七段数码管以及MC14553的三个数码管点亮使能位集合起来来完成。这种方法最显著的特点就是数码管的分时点亮，需要考虑点亮时间间隔，以保证人眼能准确读取数值。具体电路图如下图3.2.3-1 显示部分电路图3.3 最终方案 经过反复实践检验，我最终选择第一种方案作为最终方案。理由有如下几点：方案一相对于方案二虽然结构较复杂，元器件使用比较多。但实现起来方便，也便于控制调整。对于二个核心问题：1、MR清零；2、LE显示；我们发现用第一套方案能较为简单快速实现，这也是选择这套方案的主要 原因。对于数码管显示而言，第二套方案种的分时点亮还存在点亮间隔过程导致读书不完整的结果。而第一套方案数码管是一直点亮， 不存在这样的问题。4 数字电容表各模块电路设计及说明4.1 NE555图4.1-1 电路图NE555只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA4.2 CD4518图4.2-1 电路图CD4518CD4518，该IC是一种同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915。该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚14脚）。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端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。另外，该CD4518无进位功能的引脚电路在第十个脉冲作用下，会自动复位，同时，第6脚或第14脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。4.3 CD4511图4.3-1 电路图CD4511CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的译码器，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。锁存功能：译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。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，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。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。 4.4 CD4093CD4093是CD系列数字集成电路中的一个型号，采用CMOS工艺制造。CD4093 4与非门施密特触发器由4个施密特触发器构成。每个触发器有一个2输入与非门。当正极性或负极性信号输入时，触发器在不同的点翻转。正极性(VP)和负极刑(VN)电压的不同之处由迟滞电压(VH)确定。4.5 脉冲发生电路设计 课程设计提供了两种可以产生脉冲的芯片：NE555和NE556。其实质是一样的。在NE555或NE556的产品说明中已经为我们提供了几种能产生脉冲的电路。我们也就只需要参照其来进行验证即可。并且也提供了详细的公式为我们调整脉冲参数带来很大的方便。我们最终采用两片NE555，其中一个用来产生标志脉冲，另一个则参数待测电容的脉冲。图的上部分为标准脉冲的产生机理，下部分为待测脉冲的接线原理图4.5-1 脉冲的产生机理图 图4.5-2 待测脉冲的接线原理图4.6 电容计数电路设计电容计数选用三片CD4518来完成。同时还需要考虑对MR清零处理，这是设计的核心之一。Cd4518为十进制的同步计数器，用三片4518分别计数是为了给后面译码显示的模块降低难度，4518分别控制一片4511，这样工作原理简单明了，控制过程中不会出现乱码的情况，也不用考虑对数的锁存，对设计带来的很大的方便。这个模块是显示模块的前提，如果该模块出了问题，即使显示模块的功能是正确的也不能实现所需功能。所以在制作过程中得仔细，因为该模块的接线也比较复杂。调试过程中也给我们很多的提示。4.7 显示电路设计为了能以十进制数码直观地显示数字 系统的运行数据，目前广泛使用了七字符显示器，或称做七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。半导体数码管BS201的的每个线段都是一个发光二极管（LED）。因此，也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同，半导体中的杂质浓度很高。当外加正电压时，大量的电子和空穴在扩散的过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定可见光。另一种常用的七段字符显示器是液晶显示器，简称LCD。液晶是一种既有液体流动性又有光学特性的有机化合物。它的透明度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这一点便可作成字符显示器。液晶显示器的最大优点就是功耗极小。半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。为此，就需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。图4.7-1 显示电路相关参数计算：计算高电位时间公式：t1=0.693(R1+R2)C1;计算低电位时间公式：t2=0.693R2C1;计数脉冲周期公式：T=t1+t2； 图4.7-2 显示电路图5 数字电容工作原理及设计电路5.1 数字电容工作原理 两片NE555分别产生标准脉冲和待测脉冲，标志脉冲接入到CD4518同步加计数器中进行计数。由于待测脉冲的周期长度正好与待测电容值成正比，所以不同的待测电容有不同的待测脉冲。而待测脉冲集合RC微分电路以及CD4093与非门正好可以用来控制MR的清零和LE的显示功能。总体上而言，就是要产生如下的四组脉冲信号：图5.1-1 标准脉冲和待测脉冲NE5555.2 数字电容工作设计电路图 图5.2-1 数字电容工作电路图整体框图图 5.2-2 数字电容工作整体框图6 protues仿真测试6.1 第一档位读写需乘以10图6.1-1 第一档位读写需乘以10电路图测试电容为10000pf图6.1-2 测试电容为10000pf电路图 6.2 第二档位读写需乘以100图6.2-1 第二档位读写需乘以100电路图测试电容为30000pf图6.2-2 测试电容为30000pf7 系统调试与测试7.1 调试与测试u 使用的主要仪器和仪表；示波器、万用表、5V直流电压源u 调试电路的方法和技巧；排除干扰法，逐一检查法u 测试的数据和波形并与计算结果比较分析。u 测试470Pf,显示048，及480Pf，误差为2%图7.1-1 调试图测试3300Pf,显示363，及3630Pf，误差为10%图7.1-2 测试图实测标准脉冲图7.1-3实测标准脉冲图待测标准脉冲图7.1.1-4 待测标准脉冲图7.2 调试中出现的故障、原因及排除方法。 接触不良 引脚接线错误 焊接过程中，接触时间过长，导致芯片烧坏 地线与电源线之间容易短路，故障排除方法:1插上电源线与地线看是否能启动，排除短路的可能。2看数码管是否正常显示，数码管显示正常，说明4511译码显示部分没有错误。3 用示波器观察555输出的波形，如果波形正确则555部分没有问题，如出现错误则说明引脚接线错误或是焊接过程中芯片损坏4如果以上部分均无错误，则说明4518出现错误。故障解除方法：1检查出如果是接线错误或是引脚接错则重新焊接接线。2检查如果是输出波形不对或是无法正常显示则换相应的芯片。8 结束语本次设计基本完成（在误差范围内），设计制作的一个简易数字电容表。在制作的过程中，遇到了很多的问题，同时也学到了很多，也懂得了如何与同学团结合作共同完成任务。设计初期，通过查阅各种芯片的资料和简易数字电容的工作原理，初步确定了制作方案。制作方案确定后开始了仿真，仿真过程中出现了很多问题，也正是不断的解决这些问题，制作的方案才日渐成熟。在仿真已经成型并且实现的误差不大时，我们便开始了硬件部分的制作，刚开始以为硬件部分的制作应该会很快而且不会有很大问题，可是结果却恰恰相反。当我们信心满满的开始焊接时才发现焊接的过程是很重要的，也是会很容易出问题的，一旦引脚接错就不能实现功能，而且检查起来也会比较困难。果然，第一次焊接好的实物是个失败品，不能实现功能，而且外行业不能入目。无奈，我们又得重新焊接。最终在前一次经验和后一次的更加仔细，认真检查中做出来了。这更加证明了理论与实践的差别。实践的过程中哟偶很多外界的干扰和误差，这个是在理论中没法考虑到的。在这之中深入了解了制作所用的那几款芯片的功能、引脚接线、工作原理，特别是对555的研究，虽然数字电路中友讲过它的工作原理和用法，但是也还不是很了解，在制作过程中才真正理解了，理论联系实践能更好的帮助我们学习。基本掌握了设计不同功能的单元电路以及他们的安装和调试方法，知道了在电路设计中要基于单元电路的基础上，设计具有不同用途和一定工程意义的电子装置。在这过程中不仅深化了我们所学的理论知识，同时培养了综合运用能力，增强了独立分析与解决问题的能力。训练了严肃认真的工作作风和学习态度，给以后从事电子电路设计和研制电子产品大下初步基础。懂得了如何以团队的形式去完成一件作品，在几个人一起努力去完成一件事的时候是会出现一些意见不和等等，但是大家拥有共同目标，有讨论才有进步，而且这种也可以说是一种共同进步，共同学习吧。最后我体会到，刚拿到课题时很迷茫，不知道该如何下手，经过老师的讲解还有查阅相关资料，对数字电容表的工作原理有了大概的了解。之后就开始着手看所用的各种芯片的资料，并开始在proteus中进行仿真。仿真的过程中各种问题不断地出现，才发现有些问题不像我们所想的那么简单。理论与实践有很大的差距，就在不断的修改不断的尝试的过程中我们学习到了很多，可以说这是在任何的课堂上都无法学到的，必须要亲身经历才能体会的。通过制作这个简易的电容表我发现数字技术强大的功能和广大的发展空间，再次觉得学好该门课程的重要性。了解了集成芯片的含义和集成芯片对于工业制作过程带来的方便，不得不感慨一下，科学的伟大。同时在调试的过程中也发现了集成芯片的一些缺陷，焊接过程中极易损坏，而且还不易被发现，往往是制作完成后不能实现预期的功能，所以也给我们带来了困扰。所以硬件实现部分还真是得仔细认真。我们在调试过程中，最得力的助手就是示波器，用示波器来分析系统是否正常运行，所以这也从分说明了示波器在电子工艺制作过程中的重要性，也告诉我们学会使用以及精通示波器的用法可以很好的帮助我们调试。其实制作起来还是比较漫长的过程，这需要我们耐心，细心，坚持不懈的努力才能成功啊。作为现当代的工科学者，我们应该理论联系实践，只有不断的将理论运用到实践中去，才能更好的理解所学的，也能为以后积累经验，提高自己的动手能力和独立思考的能力。学校应该在这方面更多