数字电容测量仪

数字电容测量仪 1 数字电容测量仪数字电容测量仪 一 实验目的实验目的 1 掌握译码显示的设计与应用 2 掌握数字电容测量仪的方法 3 学习自动量程的设计方法 4 学习使用 555 定时器及多谐振荡器 二 设计内容及要求二 设计内容及要求 1 被测电容范围为 100pF 到 1uF 2 把电容量通过电路转换为电压量进行测量 3 设计石英晶体振荡器及分频系统 4 可控制的计数 锁存 译码 显示系统 发挥部分举例 1 测量电容范围为 1uF 到 1000uF 2 石英晶体振荡器 3 多谐振荡器 三 使用仪器及元器件 三 使用仪器及元器件 74LS04 1 片 74LS90 4 片 NE555 2 片 74LS00 2 片 74LS373 2 片 74LS47 3 片 8 段共阳数码管 3 个 电平开 关 1 个 电阻若干 电容若干 四 实验原理四 实验原理 1 1 总原理图 总原理图 数字电容测量仪 2 本设计是基于 555 定时器 连接构成多谐振荡器以及单稳态触 发器而测量电容的 单稳态触发器中所涉及的电容 即是被测量的 电容 其脉冲输入信号是 555 定时器构成的多谐振荡器所产生 x C 信号的频率可以根据所选的电阻 电容的参数而调节 这样便可以 定量的确定被测电容的容值范围 因为单稳态触发器的输出脉宽是 根据电容值的不同而不同的 所以脉宽即是对应的电容值 其精 x C 确度可以达到 0 1 最后是输出电压的数字化 将输入到 47 译码 o v 器中翻译成 BCD 码 输入到 LED 数码管中显示出来 数字电容测量仪 3 利用单稳态触发器或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 即控制脉冲宽度 Tx 严格 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 2 单稳态控制电路 控制器的主要功能是根据被测电容 Cx 的容量大小形成与其成 正比的控制脉冲宽度 Tx 图 2 所示为单稳态控制电路的原理图 该 电路的工作原理如下 数字电容测量仪 4 单稳态控制电路原理图 当被测电容 Cx 接到电路中之后 只要按一下开关 S 电源电 压 Vcc 经微分电路 和反向器 送给 555 定时器的低电平触 1C 1R 发端 2 一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态 其输出 端 3 由低电平变为高电平 该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过 送入计数器计数 暂稳态的脉冲宽度为 Tx 1 1RCx 然后单稳态电 路又回到稳态 其输出端 3 变为低电平 从而封锁与门 停止计数 可见 控制脉冲宽度 Tx 与 RCx 成正比 如果 R 固定不变 则计数 时钟脉冲的个数将与 Cx 的容量值成正比 可以达到测量电容的要 求 时钟脉冲发生器 这里选用由 555 定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能 电路原理图及其输出波形如图 3 所示 数字电容测量仪 5 但 其波形如图所示 其波形如图所示 数字电容测量仪 6 振荡波形的周期为 123420 7 TtptpRR C 其中 13420 7 tpRR C 2420 7tpR C 占空比为 134 342 tpRR q TRR 因为时钟周期 是在忽略了 555 定时器 6 脚的输340 7 TRR 入电流条件下得到的 而实际上 6 脚有 10的电流流入 因此 F 为了减小该电流的影响 应使流过的电流最小值大于 10 又因F 为要求 Cx 999时 Tx 2s 所以需要时钟脉冲发生器在 2s 内F 产生 999 脉冲 即时钟脉冲周期应为 T 2ms 即 122Ttptpms 如果选择占空比 q 0 6 即 q 0 6 1tp T 由此可求得 10 60 6 21 2tpTmsms 21 2 1 2 0 8tpTtpmsms 取 0 1 则 2CF 11 43K 4R 2 20 7 tp C 5 713K 3R 1 20 7 tp C 4R 521 521 100 0 20 521 取标称值 5 6K 12K 3R4R 最后还要根据所选电阻 的阻值 校算流过 的最小3R4R3R4R 数字电容测量仪 7 电流是否大于 10uA 从图可以看出 当上电压达到时 2CcU 2 3 V 流过 的电流最小 为 3R4R 95uA mIin 2 3 34 VCCVCC RR 振荡周期 3420 7 2 2 07TRR Cms 4 4 计数和显示电路计数和显示电路 由于计数器的计数范围为 1 999 因此需要采用 3 个二F F 十进制加法计数器 这里选用 3 片 74LS47 级联起来构成所需 的计数器 74LS47 是 BCD 7 段数码管译码器驱动器 74LS47 的功能 用于将 BCD 码转化成数码块中的数字 通过它来进行解码 可以直 接把数字转换为数码管的数字 从而简化了程序 节约了单片机的 IO 开销 译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应 的输出的高 低电平信号 常用的译码器电路有二进制译码器 二 十进制译码器和显示译码器 译码为编码的逆过程 它将编码 时赋予代码的含义 翻译 过来 实现译码的逻辑电路成为译码器 译码器输出与输入代码有唯一的对应关系 74LS47 是输出低电 平有效的七段字形译码器 它在这里与数码管配合使用 表2 1 列出了 74LS47 的真值表 表示出了它与数码管之间的关系 数字电容测量仪 8 5 地址锁存器芯片地址锁存器芯片 74LS373 74ls373 是常用的地址锁存器芯片 它实质是一个是带三态缓 冲输出的 8D 触发器 在单片机系统中为了扩展外部存储器 通常需 要一块 74ls373 芯片 锁存端 LE 由高变低时 输出端 8 位信息被 锁存 直到 LE 端再次有效 当三态门使能信号 OE 为低电平时 三态门导通 允许 Q0 Q7 输出 OE 为高电平时 输出悬空 当 74LS373 用作地址锁存器时 应使 OE 为低电平 此时锁存使能端 C 数字电容测量仪 9 为高电平时 输出 Q0 Q7 状态与输入端 D1 D7 状态相同 当 C 发生 负的跳变时 输入端 D0 D7 数据锁入 Q0 Q7 6 6 十进制计数器十进制计数器 74LS9074LS90 电路是由 4 个主从触发器和用作除 2 计数器及计数周期长度为 除 5 的 3 位 2 进制计数器所用的附加选通所组成 有选通的零复 位和置 9 输入 为了利用本计数器的最大计数长度 十进制 可 将 B 输入同 QA 输出连接 输入计数脉冲可加到输入 A 上 此时输 出就如相应的功能表上所要求的那样 LS90 可以获得对称的十分频 计数 办法是将 QD 输出接到 A 输入端 并把输入计数脉冲加到 B 输入端 在 QA 输出端处产生对称的十分频方波 五 仿真结果五 仿真结果 数字电容测量仪 10 30uF 的电容 的电容 100nF 的电容