数电课程设计报告

1、1. 熟悉各种元件及芯片的作用，并能将其运用到实际的电路中。2. 熟悉面包板的用法，能够熟练的进行连线。3. 通过此次的设计，加深对数电这门课的理解。4. 提咼解决实际问题的能力。二、设计任务和要求1. 测量范围为1-999nF。2. 用三位LED数码管显示测试结果。3. 具有超量程显示。4. 能自动地进行连续测量。测量周期为 4秒，测量结果保持2秒 左右。5. 提供的主要器材：(1) NE555 定时器、MC14553 三位 BCD 计数器、CD4511BCD 七段显示译码器、CD4001四二输入或非门各一块。(2) 共阴结构LED数码管、三极管、二极管、阻容元件等。(3) 面包板、导线。(

2、4) 直流稳压电源。(5) 调试用标准电容。三、简易数显式电容计的组成和工作原理1、工作原理：对于一个容量不变的电容只要外部的充电电路 参数被确定下来，则充放电的时间就被唯一确定下来，在这里我们 可以应用电容的充电时间来控制计数器计数。既将电容的充电时间 作为门控信号，将基准脉冲发生器提供的基准脉冲的宽度作为测量 的模在被测电容充电时间内，被测电容开始充电时将闸门打开，充电结 束时将闸门关闭。在闸门开放时间内，计数器所计得的基本脉冲数 乘以模，既为电容的容量。如果改变充放电时间的数量级就可以改 变测量电容的量程。计数器可用十进制加法计数器构成，然后将计 数器的输出通过译码电路显示出来。将比较器

3、的输出作为与门的控制信号，则在 0到to的这段时间内与 门开门，已知频率fo则的信号可以通过与门而进入计数器行计数。 我们可以应用555单稳态触发器的暂态持续时间来控制计数器计数。数显示电容计具有测量速度快，读数方便等优点，正在逐步取代传 统的电容测试方法。图3-1简易数显式电容计的组成框图2、组成部分：简易数显示电容计的框图如图3-1所示，它由C-T转换电路、振荡器、控制电路、译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。1. C-T转换电路的作用是把被测电容的电容量 Cx转换成脉冲信号， 使脉冲信号的宽度Tx正比于C%单稳态触发器有定时时间正 比于定时电容C的关系，因此可以用单稳态触发器实现此

4、功能。2. 振荡器产生矩形脉冲，让计数器在 C-T转换期间计数。如果Cx 大，则Tx大，那么在Tx期间计数器计的脉冲数就多，而计到 的脉冲数多，代表Cx就大。只要调整好振荡器的振荡频率，就 可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的nF数。3. 计数器是三位十进制计数器。4. 显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数显示出来。5. 超量程指示电路的作用是当计数器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nF,此时显示器的读数已不是 Cx的值。6 .控制电路的作用是用来产生控制各部分电路正常工作的时序信 号。7.设计时采用CMO集成电路，电源电

5、压用+5乂四、单元电路的设计1.C-T转换电路的设计在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用555定时器构成的单稳态触发器中，有tw=1.1RC式中R和C为定时电阻、电容。因此，在这里C-T转换电路采用单稳态触发器。用555定时器构成的单稳态电路如下图1,波形如图2所示。图中Tx=1.1RC%图11 1rlT買在电路中加入了由Cr和Rr组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入Vii的下降沿触发，定时时间与 Vi的低电平宽度无关。考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内Tx的时间为0.1ms0.1s,即取 R=91kQ。图 32.多谐振荡器的设计多谐振荡器也用555 定时器成，电路如图

6、3 所示。多谐振荡器的振荡周期为：T=0.7 (R+2F2) C,在 Tx内计数器计到的脉冲数N=Tx/T,即有N=1.1RCxH。根据设计要求，N 就是被测电容Cx的nF数， 则有R16 8kVccR25k103(0 Olu)784RoDI引VccC6THNE55532VqGNDVco151C2:OiiDOluiT=i.i*9i*i0A 3*i0a-910a-4s也就是说振荡器的振荡频率约为10kHz。根据振荡器周期的计算公式，先取 C=0.01卩F。那么Ri+2R=14.3k Q ,取 Ri=6.8kQ，贝卩 F2应为 3.75k Q。可用 4.7kQ的电位器作为R2来调整电容计的测量精度

7、3. 计数电路的设计(1) 计数器的选用。计数器采用MC14553 MC14553是三位BCD加法计数器，集成电路的引脚图如图4所示100C1ACB QQCLOCK01LE0203OROfSDSl5S2MRD5311 O130Vqq - PIN 16Vss z PIN 8(2) MC14553I成MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的 BCD计数器、三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输 入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路， 以及用于显示控制的数据选择输出 DS、DS2、DS3组成(3) 计数器电路的连接根据C-T转换电路在转换期间的输出时

8、高电平，以及要用来 控制计数器计数。将C-T转换电路的输出加到“ CL端”，计数脉 冲从“ INH端引入。4. 显示译码电路的设计(1) 显示译码器的选用显示译码器选用CD4511 CD4511是 BCDfc段锁存/译码器/驱nnnnrinr-Ln161614131211109vnrYTnYaYbYCYdYC II|CXD4511MC CC45HEC动器，其引脚排列图如图5所示。图5CD451倶有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非 BCD码时，译码器的七个输出端全为“ 0”电平，显示器暗。在MC1451的输入端有四位锁存器，LE为选通端，当LE为“0”电平时允许BCE码输入，当LE为“

9、1”电平时锁存。MC1451每段的输出驱动电流可达25mA因此在驱动LED数码管时要加限流电阻。(2) 显示译码电路计数和译码显示电路如图6所示，其中显示译码电路为扫描显示电路图6(3) 限流电阻的选取设图7中三极管工作在放大区，/VcE=2V，则R= (6-2-2)/10=200 QFB= (2-0.7 ) /0.5=2.6k Q 图 7三极管的B=10/0.5=20。实际的显示译码电路中，一个三 极管要驱动一只数码管，即要驱动七 只发光二极管，而且在扫描显示中， 数码管的每段电流要大一些。设每段 电流为15mA基极电流由MC1455啲 输出驱动电流限制，设为1.3mA,贝S 可算得R=13

10、3Q，取130Q, RB=1Q, B =15*7/1.3=80，则选用的三极管的 B值要大 于 80, I cm大于 105 mA5. 超量程指示电路的设计超量程指示电路如图8所示CD4001图8图中由或非门构成的是一个基本的 RS触发器。当MC1455在 计数到1000个脉冲时，在“ OF端会输出一个正脉冲，RS触发器 的Q置“ 1”，LED灯亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示 器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置0,等待下一次测量。6. 控制电路的设计根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号 发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高，因此

11、可用 图9所示电路来构成XT节l阮(to)CD4001-4A(8)(to)MC14553(13)R522Mh 2n 6laroeij M 07R622MlM(O.lu)R7io图9振荡电路中在RS=R的条件下，振荡周期的估算式为T1.8RC即有1.8RC=4s取C=0.1卩F,贝岷取22MQ。由于MC1453在高电平清零时，位选择输出端都 DSDS为1, 将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看 到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清 零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉 惰性，

12、就不会察觉到有消隐现象。五、安装与调试1.按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路，如图2. 调试时先检测电源，正常后再检测多谐振荡电路和示波器电路,接着检查控制电路，然后是 C-T转换电路，最后是计数和显示 译码电路。3. 在Cx处接入nF级校准电容，调节R2使数码管显示的读数与 校准电容的容量一致。4. 接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结 果。再借入若干标称值不在量程范围内的大电容和小电容，注 意观察电容计的工作情况。六、有关简易数字电容计的思考题1、数字万用表中检测电容的工作原理电容检测时，利用万用表能直观准确地读出电容阻值。数字万用表 有两大部分电路组成：数模转换电

13、路与电容检测电路。数字万用表 一般都有专用集成块，中低档万用表常用集成块L7106制成，只要 完成将模拟量转换成数字量，其内部为积分型 A/D转换器，用来将 被测的模拟电压转换成四位BCD数字吗，相应的七段数码管和各段 电平的ag同时输出，驱动液晶数码管显示出被测电压。电容测量 电路的作用是：依据被测电容容量产生一个模拟电压，容量大则产 生电压值高，容值量小则产生电压值小。测量电容时，此电压送入 模数转换电路经模数变换得出被测电容容量值。2、MC14553勺3脚和4脚间接的电容C1取大了，数码管的显示会 出现的现象。MC14553勺3脚和4脚间接的电容C1取大了，数码管的显示会 出现闪烁。因为

14、震荡器提供多路数据选择的低频扫描时间脉冲，振 荡器的震荡频率取决于C1的大小。3、为什么动态显示电路电路中七段显示译码器每段电流要大些所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器 的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位 显示器在工作点亮，但是利用人眼的的视觉暂留效应和发光二极管 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符同时显示。显示器亮度与点亮使得导通电流有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳 定的显示。所以电流要大些。4、在单稳态电路输入端和 MC14553青零输入端各有一个微分电路， 它们各自的作用。单稳态电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的作用是：使得

15、 单稳态电路只要靠输入VII的下降沿触发，定时时间与 VII的低电平宽度无关。MC14553青零输入端电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的 作用由于MC1453在高电平清零时，位选择输出端都 DS1DS为 1,将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看到 消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过 Cr和Rr组成的 微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零 信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰 性，就不会察觉到有消隐现象。：5、在超量程指示电路中，或非门的作用由或非门构成的是一个基本的RS触发器。当MC1455在计数到 1000个脉冲时

16、，在“ OF端会输出一个正脉冲，RS触发器的Q置“ 1”，LED灯亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示器读数已 不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下， Q端置0,等待下一 次测量。6、在超量程指示电路中，若用 PNP则电路怎么连接在如图所示的超量程指示电路中，发光二极管正负极交换，把介入的电源VCC改为-VCC。CD40017、为什么选择用PNP乍为位选择开关开关三极管可以用很小的电流，控制大电流的通断，小功率开关 管可以用在电源电路、驱动电路、开关电路等，可用于低频功率放 大电路、电流调整等。8若微分电路的阻值取得很小（如只有 1k欧姆），会出现什么情 况根据数字式电容计的工作原

17、理，控制电路实际上是一低频信号发 生器，振荡周期为4秒，若R的取值小，则RC的乘积，即时间常数 很小，电容器c会被迅速充电，频率很高。七、电路的进一步完善和改进：1在本设计的基础上，设计两通道进行选择，以减小误差：1u-20u一个通道，21u-99u未另一个通道。2可增加小数点的显示，改变设计的参数即可完成要求；3可增大该电容测试仪的检测范围。八、总结与体会本次课程设计电路组成的元器件比较多，需要连接的线很多。 所以在连线前我们做了细致的规划。我们首先将元器件按电路图分 成五部分，确定了大体位置后，对照我们事先画好的整体的电路原 理图，开始接线。我们按照一部分一部分的连接方式，边接线边检 错，

18、最后将五部分电路连接起来。第二天我们到实验室开始调试。一开始并不怎么顺利，一次性 没有出现正确的显示结果。在老师的指导下，我们开始逐步检查各 个电路。我们首先检查计数和显示译码电路，发现并没有显示出老 师所说的三个零。我们细心地将电检查一遍，发现一根地线接错了， 我们及时调整过来，再次检测，发现译码管出现了两个零，还有一 个译码管有两根晶体管的显示比较暗。我们反复检查电路的连接， 发现电路连接正确。我们再次进一步检测，我们发现其中一个显示 管已损坏。我们换了一个显示管后，计数和显示译码电路开始显示 正常。接下来我们开始C-T转换电路的检测，发现电路正常。紧接 着我们开始多谐振荡器电路的检查，一开始用示波器检验，它并没 有出现振荡波形。经过我们反反复复检查，通过排查电路，我们终 于找到一个电路连线错误。及时纠正后，我们接好电源、地线，把 电位器调到合适的阻值，电路便正常工作了，接着老师检测了我们 设计的电路，超量程显示也没有问题，达到了设计目标。通过这次课程设计，我们加深了对各种元件及芯片的理解，也 更进一步的熟悉了面包板的使用方法。这次课程设计锻炼了我们的 实际应用能力，培养了我们的合作精神及分析解决问题的能力。同 时我们对555