简易数字式电容测试仪

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 关键字关键字 多谐振荡器 单稳态振荡器 多谐振荡器 单稳态振荡器 555 555 计数器 计数器 I Abstract 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 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 counter 目录目录 前言前言 1 1 系统概述系统概述 2 1 1 总体方案的选择及可行性分析 2 1 2 方案论证 3 1 2 1 设计思路 3 1 2 2 设计的总体框图 3 2 单元电路设计分析单元电路设计分析 4 2 1 555 定时器 4 2 2 同步计数器 5 2 3 计数器反馈方式 6 2 3 1 反馈清零发 6 2 3 2 反馈置数法 6 2 4 四位集成寄存器 7 2 5 单稳态触发器 8 3 结束语结束语 10 3 1 总结 10 3 2 收获与体会 10 致谢致谢 11 参考文献参考文献 12 向天壮 简易数字式电容测试仪 0 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 辽宁工程技术大学课程设计 1 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 RC 3 1 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 A D 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 向天壮 简易数字式电容测试仪 2 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 diagram 辽宁工程技术大学课程设计 3 2 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 diagram 84 3 6 2 1 5 uO 555 uI2 uI6 UCCRD 7 向天壮 简易数字式电容测试仪 4 74LS160 ET EP CPCP D0D1D2D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CO LD CR 2 2 同步计数器 同步十进制计数器 74LS160 如图 2 2 所示 图 2 2 74LS160 管脚图 74LS160 2 2 pin diagram 74LS160 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 74LS160 EPETCP 功能 0 清零 10 置数 1111 计数 110 保持 11 0 保持 辽宁工程技术大学课程设计 5 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 向天壮 简易数字式电容测试仪 6 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 D1 D4 是并行数据输入端 CP 为时钟脉冲端 Q1 Q4 是并行 数据输出端 图 2 3 位集成寄存器 74LS175 Figure 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 D0 D3 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 2 1 1D4D CP RD 1D C1 R Q Q 1Q1Q 1D C1 R Q Q 1D C1 R Q Q 1D C1 R Q Q 2Q2Q3Q3Q4Q4Q 1 2D3D CPRD1D 2D 3D 4D Q1 Q2 Q3 Q4 X0X X X X0 0 0 0 11D 2D 3D 4D 11X X X X 01X X X X 1X X X X 保持 辽宁工程技术大学课程设计 7 2 52 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 向天壮 简易数字式电容测试仪 8 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 4 40k 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t 0 7RC 通常 R 的数值取在 2 30k 之间 C 的数值取在 10pF 10 F 之间 得到的取值范 围可达到 20ns 200ms 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 辽宁工程技术大学课程设计 9 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 100 9999 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 向天壮 简易数字式电容测试仪 10 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