电容测试器 课设论文

1 数字电容测试器数字电容测试器 指导老师 班 级 姓 名 时间 2013 年 11 月 24 日 1 1 课程设计目的 3 2 设计内容及要求 3 3 器件选择 3 4 设计原理 4 5 方案及原理图设计 4 5 1 总体方案的设计 4 5 2 555 定时器组成的时基电路 4 5 3 555 定时器组成的单稳态触发电路 5 5 4 TL431 组成的恒流源 6 5 5 触发电路 7 5 6 计数和显示电路 7 6 元器件参数设计及选择 8 6 1 测量范围 100pF 99900pF 8 6 2 测量范围 1uF 999uF 8 7 电路总体原理图设计 9 8 电路图仿真 9 9 组装调试及实验结果 10 9 1 调试硬件 10 9 2 调试波形 10 9 3 实验结果 10 10 总结 11 2 1 1 课程设计目的课程设计目的 在日常的电路工程或者是电路试验中 电容是一个最常见的元器件 实际应用中 对 电容的电容值的准确度要求也是很高的 在实际操作中 对电容的测量存在许多麻烦 数 值的表现也不够直观 为此 我们查阅资料 根据所学的知识 设计了一个数字电容测试 仪 只要接入被测电容 打开开关以后 就能直接在屏幕上显示出电容的大小 方便在以 后的实验中对电容的使用 2 2 设计内容及要求设计内容及要求 测量范围 100pF 99900pF 扩程 1uF 999uF 用三个数码管显示 测量精度要求 10 3 3 器件选择器件选择 555 定时器2 片 集成芯片 74LS001 片 集成芯片 CD40333 片 集成芯片 TL431 1 片 集成芯片 CD4052 1 片 LED 数码管3 个 学生电源1 个 导线 电容若干 3 4 4 设计原理设计原理 单稳态触发电路计数译码管 数码管显示多谐振荡电路 计数器 待测电容 5 5 方案及原理图设计方案及原理图设计 5 15 1 总体方案的设计总体方案的设计 利用单稳态触发器和电容器充放电规律等 可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄 即严格控制脉冲宽度 Tx 与 Cx 成正比 只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲 相与 便可得到计数脉冲 把计数脉冲送给计数器计数 然后再送给显示器显示 如果时 钟脉冲的频率等参数合适 数字显示器显示的数字 N 便是 Cx 的大小 之所以选择该方案 是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现 而且必要时还可以扩展量程 更重要的是该方 案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确 另外由于 555 定时器和电容本身的硬件关系 当电容 Cx 的取值到微法时 555 定时器 组成的单稳态触发电路由于电容不是线性的充电 这样就会导致单稳态触发电路的单稳态 时间的精度和稳定度就会下降 所以我们采用了恒流源给电容 Cx 充电 增强了单稳态时间 的精度和稳定度 5 25 2 555555 定时器组成的时基电路定时器组成的时基电路 多谐振荡器只有两个暂稳态 假设当电源接通后 电路处于某一暂稳态 电容 C 上电 压 UC 略低于 cc V 3 1 Uo 输出高电平 V1 截止 电源 cc V 通过 R1 R2 给电容 C 充电 随 着充电的进行 UC 逐渐增高 但只要 ccccc VV 3 2 V 3 1 输出电压 Uo 就一直保持高电 平不变 这就是第一个暂稳态 当电容 C 上的电压 UC 略微超过 cc V 3 2 时 即 U6 和 U2 均大 于等于 cc V 3 2 时 RS 触发器置 0 使输出电压 Uo 从原来的高电平翻转到低电平 即 Uo 0 V1 导通饱和 此时电容 C 通过 R2 和 V1 放电 随着电容 C 放电 UC 下降 但只要 4 ccccc VV 3 1 V 3 2 c Uo 就一直保持低电平不变 这就是第二个暂稳态 当 UC 下降到 略微低于 cc V 3 1 时 RS 触发器置 1 电路输出又变为 Uo 1 V1 截止 电容 C 再次充电 又重复上述过程 电路输出便得到周期性的矩形脉冲 高电平时间 0 7 R1 R2 C ph t 低电平时间 0 7R2C pl t 振荡周期 T 0 7 R1 2R2 C ph t pl t 占空系数 D T R1 R2 R1 2R2 ph t 当 R2 R1 时 占空系数近似为 50 其工作波形下右图所示 A2 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI C3 100nF C5 10nF R5 5k VCC 5V R3 10k Key A 50 555 多谐振荡电路 5 35 3 555555 定时器组成的单稳态触发电路定时器组成的单稳态触发电路 单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态 在触发信号作用下 电 路将由稳态翻转到暂稳态 暂稳态是一个不能长久保持的状态 由于电路中 RC 延时环节的 作用 经过一段时间后 电路会自动返回到稳态 并在输出端获得一个脉冲宽度为 tw 的矩 多谐振荡器工作波形 5 形波 在单稳态触发器中 输出的脉冲宽度 tw 就是暂稳态的维持时间 其长短取决于电 路的参数值 图中 R2 Cx 为外接定时元件 输入的触发信号 ui 接在低电平触发端 2 脚 稳态时 输出 uo 为低电平 即无触发器信号 ui 为高电平 时 电路处于稳定状态 输出低电 平 在 ui 负脉冲作用下 低电平触发端得到低于 1 3 Vcc 触发信号 输出 uo 为高电 平 放电管 VT 截止 电路进入暂稳态 定时开始 在暂稳态期间 电源 Vcc R C 地 对电容充电 充电时间常数 T RC uc 按指数规律上升 当电容两端电压 uc 上升到 2 3 Vcc 后 6 端为高电平 输出 uo 变为低电平 放电管 VT 导通 定时电容 C 充电结 束 即暂稳态结束 电路恢复到稳态 uo 为低电平的状态 当第二个触发脉冲到来时 又 重复上述过程 A1 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R2 1k Cx 700uF C4 10nF VCC 5V 555 单稳态触发电路 5 45 4 TL431TL431 组成的恒流源组成的恒流源 TL431 为用于多方面的可编程精密参考 需要非标准参考电压的电路中它可以作为参 考电压 TL431 本身是无法达到稳定的 它通过外围电路来达到稳定电压的作用 它的内 部结构图如下所示 因为 TL431 能够输出高精度的稳定电压和极低的纹波电路 故此我们选择用 TL431 来 设计恒流源 6 5 55 5 触发电路触发电路 触发电路由 2 个与非门 U4B 和 U4C 组成 SW PB 为控制开关 当 SW PB 不闭合时 触发电路输出高电平 此时电容 C1 充电 U4 的 10 脚输入端为高电平 555 构成的单稳态 触发器处于稳态 当 SW PB 闭合时 U4 的 10 脚输入端为高电平 555 构成的单稳态触发 器由稳态变成暂稳态 4 5 6 U4B 74LS00 8 9 10 U4C 74LS00 10K R4 S4 SW PB 1K R6 C2 104 VCC GND 5 65 6 计数和显示电路计数和显示电路 因为我们选择的是 3 个数码管显示 因此我们使用了 3 片 CD4033 十进制加计数 7 段译码器集成电路 CD4033 特性 它可完成十进制计数功能 译码及 显示驱动功能 主要管脚功能如下 CP 计数器时钟输入端 INH 计数器时钟禁止 高电平有效 RBI 零消隐端 低电平有效 RBO 零消隐级连输出端 CO 计数十进制进位输出端 a g 7 段阿拉伯数字段码 显示 时输出高电平 LT 显示测试端 高电平有效 R 复位端 高电平有效 7 1 2 3 U4A 74LS00 S2 SW PB OUT2 OUT1 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U3 CD4033 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U2 CD4033 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U1 CD4033 VCC 10K R2 GND GNDGNDGND VCCVCC GNDGNDGND GNDGND VCCVCCVCC GNDGND f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS2 Dpy Blue CC f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS3 Dpy Blue CC GND f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS1 Dpy Blue CC GND VCC 计数及显示原理图 6 6 元器件参数设计及选择元器件参数设计及选择 6 16 1 测量范围 测量范围 100pF100pF 99900pF99900pF 假设当 Cx 100pF 选择 R3 100K 则 Tw 1 1R3Cx 11us 故在 Tw 时间内必须记下从振 荡器来的一个脉冲 振荡周期公式 T 0 7 R7 2R5 C1 所以 C1 选择 1nF R7 选择 600 欧 的电阻 而 R5 选择 10K 的电位器 6 26 2 测量范围 测量范围 1uF 999uF1uF 999uF 由上可知 Io 2 5V 1K 2 5mA Cx 选择 1uF 由公式可以算Tw Vcc Io 3 2 Cx 出 Tw 1 3ms 故在 Tw 时间内必须记下从振荡器来的一个脉冲 振荡周期公式 T 0 7 R8 2R5 C4 所以 C4 选择 220nF R7 选择 5K 的电阻 而 R5 选择 10K 的电位器 8 7 7 电路总体原理图设计电路总体原理图设计 4 5 6 U4B 74LS00 8 9 10 U4C 74LS00 1 2 3 U4A 74LS00 10K R4 S4 SW PB S2 SW PB 1K R6 C2 104 VCC GND RES 4 CV 5 TR 2 GND 1 TH 6 DC 7 OUT 3 VCC 8 U5 NE555 C3 10nF GND CX1 300uF REF 1 AN 2 CAT 3 U8 TL431 1K R10 10K R9 Q1 2N3904 OUT1 DC DC OUT1 Y0 1 Y1 2 Y 3 Y2 4 Y3 5 INH 6 VEE 7 VSS 8 A 10 B 9 X3 11 X0 12 X 13 X1 14 X2 15 VCC 16 U7 CD4052 GND GND VCC TH1 TH1 X1 X1 RES 4 CV 5 TR 2 GND 1 TH 6 DC 7 OUT 3 VCC 8 U6 NE555 VCC 10K R5 RPot 600 R7 C1 1nF C5 10nF GND OUT2 OUT2 OUT1 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U3 CD4033 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U2 CD4033 CP 1 INH 2 RBI 3 RBO 4 CO 5 f 6 g 7 VSS 8 d 9 a 10 e 11 b 12 c 13 LT 14 R 15 VDD 16 U1 CD4033 VCC 10K R2 GND GNDGNDGND VCCVCC GND GNDGNDGND GNDGND VCCVCCVCC GNDGND GND1 VCC1 GND VCC 1K R1 D1 LED 1 2 P1 Header 2 VCCVCC CAT CAT DC 100KR3 TH1 TH1 GND 5 6K R8 C4 220nF f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS2 Dpy Blue CC f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS3 Dpy Blue CC GND f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS1 Dpy Blue CC S1 SW DPDT S3 四刀双掷开关 8 8 电路图仿真电路图仿真 9 9 9 组装调试及实验结果组装调试及实验结果 9 19 1 调试硬件调试硬件 因为我们自己制作了印制电路板 所以电路都是好使的 主要调试时钟脉冲发生器和 控制器 首先调试时钟脉冲发生器 使其振荡频率复合设计要求 用频率计检测电路的输出 端 最好用示波器监测波形调整电位器 接着调试单稳态触发器 将待测的标准电容接到 测试端 按一下开关 使单稳态电路产生一个控制脉冲 其脉宽 Tx 1 1RCx 它控制与门 使时钟脉冲通过并开始计时 如果显示器显示的数字不是待测电容值 则说明时钟脉冲的 频率仍不符合要求 可以调节 R5 再复上述步骤 经多次调整直到符合要求为止 9 29 2 调试波形调试波形 9 39 3 实验结果实验结果 100pF uF