简易数字式电容测试仪设计报告.doc

简易数字式电容测试仪设计报告一、设计要求1、要求能够测试电容的容量在100PF到100uF范围内； 2、至少能设计制作两个以上的测量量程；3、用三位数码管显示测量结果。 二、设计的作用、目的很多电子产品中，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。 三、设计的具体实现 1系统概述利用单稳态触发器或电容器充放电规律，可以把被测电容的大小转换成输出脉冲的宽度，即控制脉冲宽度Tx与Cx成正比。只要将此脉冲作为计数器的控制信号，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再经译码器送至数码管显示。时钟脉冲可由555构成的多谐振荡器提供。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数码管显示的数字N便是Cx的大小。该方案的原理框图如图1所示。 图1 电容测试仪原理框图 2 单元电路设计与分析 2.1计数译码显示电路(BCD译码器4511) 图6 显示器外引线排列图及接法 2.2时钟脉冲产生电路多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲。先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端即可构成多谐振荡器，且其电容C的电压Vc将在和之间反复振荡。其输出的脉冲作为计数器的CP。555构成的多谐振荡器电路图和工作波形分别如图7和图8所示。 图7 多谐振荡器电路图 图8 多谐振荡器工作波形555构成的时钟脉冲发生器的最高输出频率为200KHz，电路的振荡周期仅与外接元件R1、R2和C有关，不受电源电压变化的影响。多谐振荡器的主要参数：充电时间：放电时间：振荡周期：占空系数：本单元电路中选取的元件参数为R1=3.3K，R2=1K，C=0.068uF，则T=0.252ms，符合电路工作的要求。2.3单稳态控制电路单稳态电路只有一个稳定状态，在外加脉冲的作用下，单稳态电路可以从一个稳定状态翻转到一个暂态，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态。单稳态电路在此的主要功能是根据被测电容Cx的容量大小与其成正比的控制脉冲宽度Tx来控制计数器的工作状态。单稳态电路的暂稳态时间与VCC无关，因此555组成的单稳态电路可作为较精确的定时器。图9和图10为单稳态控制电路的原理图和工作波形。 图9 单稳态电路原理图 图10 工作波形该电路的工作原理如下：无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当Vi=1时，电路工作在稳定状态，即Vo=0，Vc=0。Vi下降沿触发 当Vi下降沿到达时，Vo由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，Vcc经R向C充电。时间常数1=RC，Vc由0V开始增大，在Vc上升到2/3Vcc之前，电路保持暂稳态不变。自动返回（暂稳态结束）时间当Vc上升至2/3Vcc时，Vo由1跳变0，三极管T由截止转为饱和导通，电容C经T迅速放电，电压Vc迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的放电三极管T放电，经过(35)后，电容C放电完毕，恢复过程结束。输出脉冲宽度单稳态电路的输入触发信号为下降沿有效，需要占空比很大的负窄脉冲信号来触发。若用机械开关来触发，由于开关的延时和抖动，造成计数不准确。这里选用多谐振荡器来产生负窄脉冲信号。为了使触发信号的占空比大，周期长，可选以下参数：R1=10M，R2=510，C=0.68uF，则占空比几乎为1，重复周期为4.76s。根据单稳态输出脉冲宽度tw和多谐振荡器振荡周期T之间的关系，可得被测电容为 （N为tw时间内时钟脉冲的个数），保持时钟脉冲频率不变，改变单稳态电路的参数，即可测量不同容量的电容。为了保证测试的准确度，可以设置三个档位，分别如下：档位量程单位元件参数1uF-100uF0.1uFR=2.2K0.01uF-1uF0.001uFR=225K100pF-0.01uF10pFR=23M 3电路的安装与调试按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。计数、译码和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，个别情况会出现只计偶数或只计奇数，是由于电源电压不稳定造成时钟脉冲的幅度过大，调节电源即可正常计数，计数部分不用大量调整。主要调试时钟脉冲发生器和单稳态控制电路。时钟脉冲发生器产生的频率不能太高，否则计数不精确，频率太低，计数周期也太长，综合考虑，可使频率为几百到几千赫兹。单稳态控制部分可用变阻器进行调节来改变输出脉冲宽度，当调到某个值时，显示器显示的数字与该档位倍率的乘积正好是电容标称值，则用固定电阻代替该变阻器，这样误差要小些。 调试正常后，选取了8个待测电容进行测量，数据如下表3所示。被测电容标称值测量值测量误差C1100pF(101)11*10pF10%C23300pF(332)336*10pF1.8%C30.01uF(103)10*0.001uF0C40.033uF(333)34*0.001uF3%C50.68uF(684)678*0.001uF-0.29%C61uF10*0.1uF0C747uF470*0.1uF0C8100uF990*0.1uF-1%表3 测试数据 四、心得体会及建议通过这x星期的课程设计，让我体会到要想制作一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与调试，因为实际与理论有很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是电路的设计方案和调试过程中对参数的改进，我深有体会。完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。理论知识的不足在这次实践中表现的很明显，这将有助于我今后进一步的学习。五、附录 元器件明细表：74LS161计数器三片74LS48译码器三片共阴型七段LED数码管三个555定时器三片电阻：100、1K、5.1K、10K、100K、1M、10M 电容：100pF、3300pF、0.01uF、0.1uF、0.68uF、1uF、10uF、47uF、100uF六、参考文献本设计原理：该测测试仪由数单稳态定时电路、计数电路、译码与LED数码管显示电路等组成。测量范围为10nF900nF的电容器容量，误差不超过10%。，数字显示。转换为数字量，以其输出的串行脉冲个数表示其所测数。标定每个脉冲表示 的温度增量，则050应对应输出0500个脉冲，他的转换速度应小于50 ms，电源电压为12 V。定时电路产生的定时宽度为50 ms的闸门脉冲电压，一路经微分电路对计数器进行清零，另一路直接加至数字式温度传感器SWC的K端，温度采集驱动后，即输出串行脉冲，经放大电路放大后，计数电路对其进行计数，再经译码器译码输出驱动共阴极LED数码管，进行动态显示。设计原理图如图1所示。计数电路设计计数部分由3位动态扫描计数器MC14553(介绍电子器件英文文档的阅读)为核心构成，如图3所示。其内部3个负沿触发的BCD计数器以同步工作方式级联在一起，每位BCD计数器输出端都有一个4位锁存器，可将任意时刻的计数值加以储存，并与多路转换配合，完成3组计数器值的分时输出。数字选择器输出提供输出同步信号，完成动态显示方式。由于循环扫描周期多在1ms左右，远小于人的视觉暂留时间，所以可以得到稳定的数字显示。图3电路中，计数器的11脚为计数端，当他为高电平时，MC14553的12脚标准脉冲不能加入，所以NE555的输出经过C3，R5组成的微分电路后，产生一个正尖脉冲电压，通过清零端13脚先对计数器进行清零，同时，MC14553闩锁解除，开始对数字式传感器SWC输出的标准串行脉冲进行计数，等11脚再输入高电平时，计数器又闩锁，同时10脚也为高电平，计数器的数据锁存。这样，在50 ms的脉宽时间内，显示器就可以把已知周期的标准脉冲计数显示出来。2.4 译码与显示电路设计译码与显示电路如图4所示，MC14511是具有锁存/译码/驱动功能的BCD译码器，属于CMOS器件，高电平输出电流可达25 mA，可直接驱动数码管。SM4205是共阴极数码管。由于计数器输出的为BCD代码，MC14511将其锁存后译成数码管所需要的驱动信号，使数码管SM4205显示出BCD码的数值。3 安装与调试按照以上各个部分的原理图，对电路进行级联，并焊接电路板。接好电源，进行调试，发现两个问题。(1)数码管不显示所测温度值。经检测，发现NE55