数字电路课程设计报告_简易数字电容测试仪(原创)

1、数电课程设计报告题 目 简易数字式电容测试仪简易数字电容c测量仪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。不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单

2、位为法拉（f）。但实际上，法拉是一个很不常用的单位，因为电容器的容量往往比1法拉小得多，常用微法（pf）、纳法（nf）、皮法（pf）（皮法又称微微法）等，它们的关系是：1法拉（f） = 1000000微法（f） 1微法（）=1000 纳法（nf） = 1000000 皮法（pf）。电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本课题就是用数字显示方式对电容进行测量。本设计报告共分三章。 第一章介绍系统设计；第二章介绍主要电路及其分析；第三章为总结部分。摘要：由于单稳态触发器的输出脉宽 tw与电容c成正比，把电容 c转换成宽度为tw的矩 形脉冲，然后将其作为闸门信号控制

3、计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存-译码-显示系统就可以得到电容量的数据。关键词：闸门信号 标准频率脉冲第一章系统设计 2一、设计目的 2二、设计内容要求 2三、设计技术指标 2四、方案比较 2五、方案论证 31、 总体思路 32、 设计方案 33、 章主要电路设计与说明 4一、芯片简介 41、555定时器 42、单稳态触发器 7412143、4位二进制加法计数器47161 54、4位集成寄存器 74 ls175芯片 65、七段译码器 74ls47-bcd芯片 7二、总电路图及分析 71、总图 72、参数选择及仪表调试93、广品使用说明 94、以测待测电容 cx的电容量为例说明电路工作过程及

4、测容原理 9三、各单元电路的设计与分析91、基准脉冲发生器 92、启动脉冲发生器 103、cx转化为tw宽度的矩形脉冲 104、计数器 105、寄存一译码一显不系统10第三章总结 11参考文献 11附录11附录1元器件清单 11附录2用集成元件代分立元件电路 1213第一章系统设计、设计目的1掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。2熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。 二、设计内容要求1设计电容数字测量仪电路。2组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。3画出电容数字测量仪的电路图，写出设计报告。 三、设计技术指标1测量电容容量范围为 100pf100科f。2应设计3

5、个以上的测量量程。3用四位数码管显示测量结果。4用红、绿色发光二极管表示单位。四、方案比较目前，测量电子元件集中参数 r、l、c的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法 都有其优缺点。方案一：像测量 r一样，测量电容 c的最典型的方法是电桥法，如图1所示。只是电容 c要用交流电桥测量。电桥的平衡条件为乙 zn ej（ 1） = z2 zx ej nx x通过调节阻抗z1、z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的 电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。

6、方案二：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路， 当稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=rcln3 =1.1rc。从式可以看到，当 r固定时，改变电容 c则输出脉宽tw 跟着改变，由tw的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压v0取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则 v0的平均值也不同，由v0的平均值大小可得到 电容c的大小。如果把平均值送到位 a/d转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。方案三：用阻抗法测 r、l、c有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用 恒压源供电

7、，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。方案四：万用（q）表是用谐振法来测量 c值如图2。它可以在工作频率上进行测量， 使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它 对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。图2方案五：标准频率比较法。很多仪表都是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。基于此思想，我们把电容c转换成频率信号f,转换的原理是555震荡器的震荡周期t=0.639（ra+rb）c,周期t与电容的电容量 c成正比，通过闸门控制电路控制计数器，对闸门内的脉冲进行计数，并

8、由led数码管显示出电容量。其原理框图如图3图3方案六：相对于方案五，我们把电容c转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门信 号控制计数器计数，计数后再运算求出c的值，并送显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw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，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，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使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。因此本次设计我们采用此方案。五、方案论证（一）设计思路本

9、设计中用555震荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的cp脉冲，也就是标准频率。同时把待测电容 c转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出 脉宽tw与电容c成正比。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理 计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容的容值。或者把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋纽控制量程的选择，用计数器控制电路控制总量程，如果超过电容计量程，则报警并清零。（二）设计方案该方案的总体方框图如图 4所示。图4.原理框图第二章 主要电路设计与说明一、芯片简介1

10、、555定时器如图5为555等效功能框图中包含两个 coms电压比较器 a和b, 一个rs触发器，一 个反相器，一个p沟道mos场效应管构成的放 电开关sw,三个阻值相等的分压电阻网络，以 及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比 较器a和下比较器b分别提供2vcc/3和1vcc/3 的偏置电压。图5 555等效功能框图定时器的功能主要取决于比较器，比较器a、b的输出控制着rs触发器和三级管sw的 状态,4号管脚（rd）为复位端.当rd=0时，输出uo=0,sw管饱和导通.此时其他输入端状态对电 路1# 0状态无影响。正常工作时，应将 rd接高电平。像上面所说的那样，当控制电压输入端 5脚悬

11、空时，比较器 a、b的基准电压分别为 2ucc/3,和ucc/3。如果5脚ui外接固定电压，则比较器 a、b的基准电压为 ui和ui/2。由图5可知，若5脚悬空，当ui62ucc/3 , ui2ucc/3时，比较器 a、b分别输出高电 平和低电平，即 r=1, s=0,使基本rs触发器置1,放电三极管截止，输出 u0=1。当ui63ucc时，比较器 c1输出低电平，比较器 c2输出高电平，即 r=1 , s=1。 rs触发器维持原状态，使 u0输出保持不变。当ui62ucc/3, ui22ucc/3ucc/30导通1ucc/3/、变/、变12ucc/3ucc/31截止2、单稳态触发器74121

12、图6 74121的逻辑图及管脚图如图6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。将具有迟滞特性的非门g与g门合起来看成是一个与或非门，它与 g门及外接电阻 rxt （或rnt）、电容cxt即组 成微分型单稳态触发器，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=1o当图中a点有正脉冲触发时，电路进入暂稳 q=1,q=0o q为低电平后使触发信号控制电路中rs触发器的g门输出低电平，将 g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

13、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，电路可由稳态翻转到暂稳态。其功能表如表2所示。表2 74121功能表一 dhh h huuruucl l l lj1几jl几几若b为高电平，ai、a2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由1到0的负跳若ai、a2两个输入中有一个或两个为低电平，b发生由。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

14、电容时，电容 c的正极连接在 cext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 q ,此时将9号引脚（rint）接至电源vcc （14脚）。采用外接定时电阻（阻值在1.440k 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tw=0.rc。通常r的数值取在230kq之间，c的数值取在10pf10 口之间，得到的取值范围 可达到20ns200ms。该式中的r可以是外接电阻 rext,也可以是芯片内部电阻 rint（约2kq）,如希望得到较宽 的输出脉冲，一般使用外接电阻。3、4位二进制同步加法计数器 74161芯片介绍74161

15、是集成ttl四位二进制加法计数器，其符号和管脚分布分别如图7 （a）和（b）所示，表3是74161功能表。(a)(b)图7集成4位二进计数器74ls161 (a)符号图(b)管脚图表374161的功能表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式rdldep etcpd3d2d1 d0q3 q2q1q00xxxxx x x x0 0 0 0异步清零10xxtd3d2d1 d0d3d2d1d0同步置数110 xxx x x x保 持数据保持11x 0xx x x x保 持数据保持111 1tx x x x计 数加法计数由表可知，74161具有以下功能：异步清零。当 = 0时，不管其他输入端的状态如何

16、，不论有无时钟脉冲cp,计数器输出将被直接置零( q3q2qiq0=0000),称为异步清零。 同步并行预置数。当 rd=1、ld = 0时，在输入时钟脉冲 cp上升沿的作用下，并行 输入端的数据d3d2d1do被置入计数器的输出端，即q3q2qiqo = d3d2d1d。由于这个操作要与 cp 上升沿同步，所以称为同步预置数。 计数。当rd = ld=ep=et=1时，在cp端输入计数脉冲，计数器进行二进制加法 计数。 保持。当rd=ld = 1,且ep et =0,即两个使能端中有 0时，则计数器保持原来的状 态不变。这时，如 ep=0、et = 1,则进位输出信号 rco保持不变；如 e

17、t=0则不管ep 状态如何，进位输出信号rco为低电平0。4、4位集成寄存器74 ls175芯片介绍图8 (a)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，其引脚图 如图8 (b)所示。其中，rd是异步清零控制端。d0d3是并行数据输入端，cp为时钟脉 冲端，q0q3是并行数据出端， q3是反码数据输出端。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d0d3,在cp端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器q端。74ls175的功能示于表 4中。nnnlnnlnnai st 羡图8 4位集成寄存器74ls175（a）逻辑图（b）引

18、脚排列74 ls175芯片内部结构图见附录三。表4 74 ls175的功能表清零时钟输入输出工作模式rdcpdo d1 d2 d3qoq1q2q30xx x x x0 0 00日止3圭由 八力冶令1tdo d1 d2 d3do d1d2 d3数码寄存11x x x x保持数据保持10x x x x保持数据保持4、七段译码器74ls47-bcd芯片介绍从74161来的信号为十进制数的 bc加，要将其显示在数码管上，需要经过译码，译码 所用的芯片是74ls47-bcd七段译码器。芯片图如下:半导体数码管将十进制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。 半导体数码管（或称led数码管）的基本单元是 p

19、n结，目前较多采用磷神化钱做成的pn结，当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。单个pn结可以封装成发光二极管，多个pn结可以按分段式封装成半导体数码管，其管脚排列如图9所示。741s49与七段译码器的连接如图10:7447bcd to 7seg、总电路图及分析11）可以看到，本数字电容测试仪由启动脉冲1、总图：由框图和总电路图（如图a & c a elf|g b c d e t g7447dl d2 d3 d4qi q之 q3 q4l册 74l175cp-)dl d2 d3 d4ldldld555振荡器ql 口cled74161lit *)l b c 口曲74161吕口l e c d hd71

20、161 (3 )n-a b c d kb -ft74161(4)5-iep t，a b c d edi i i 上f0. lu lookcext restceltb id uel 74121a1 sa2ceatcirtb ic2 忡 74121虱 皿a2ik虚线表示三个开关动作相同发生器、基准脉冲发生器、cx转化为矩形脉冲系统、计数一锁存一译码一显示系统、量程选择及控制电路和报警系统几部分组成。另外一个振荡器设置无要求。另外，可以用集成芯片 74c926代替计数一锁存一译码系统，见附录一。注意电路中有一个微动开关k4,其功能： 插上电容后，按 k4为测试电容功能。测试完后按k4可以清除显示。

21、声或光报警时，若取下电容再按k4,则停止报警。若没取下电容，则不能停止报警。那 c a e f gaocd&tg7447il d2 d3 d4图11数字电容计总电路图2、参数选择及仪表调试：以最小的电容值100pf为例，因为测试电容的原理是： 闸门信号tw=1.1rpicx ,而振荡 器输出周期为 t=0.7(ra+2rb)c 的基准脉冲，我们设置电路使 0.7(ra+2rb)c=1.1rpi那么在 闸门信号闸门内有多少个基准脉冲电容，值就为多少。从实际中考虑，1ps的周期脉冲是很难产生的，即使能产生，这样的脉冲也无法令 74161识别出来，即无法计数。所以我们设置的参数所产生的振荡脉冲的周期

22、是很大的，约0.11ms,这个周期值也是为了应合 tw中1.1rpi的值，即与1.1rpi成整数倍关系，这一点从一定程 度上减少了误差。用示波器可以很容易的调试出这个值。从电路中可以看到基准脉冲发生器的555振荡器的电阻，三个档位分别有三个变阻器即是为提高精度而设置的。本设计方 案中有三个量程档位分别为(1009999)*1pf , (1009999)*100pf , (1009999)*0.01wf。根据各量程档位可得其滑动变阻器的最大阻值可以由下式确定：r=100*0.11ms/(1.1cx)=1/100cx (欧) 为安全起见，本次设计中我们取得大一点。调试时分别用三个已知容量的标准电容

23、，即102p的、104p的、10科的三个电容来分别调试三个量程档位，插上电容后适当调节同一级的滑动变阻器，直到数码管显示正确的容值为止。3、产品使用说明：插上电容，无报警情况时，注意量程选择旋钮周围档位有1*, *100, *0.01三种倍数字样，当前数码管显示值乘以旋钮指针指向的倍数作为容值，然后看指示灯，若红灯亮，则单 位为pf,若绿灯亮，则单位为uf。如果有报警情况，若黄灯亮说明选择档位太大，应调小，最小量程时，黄灯依然亮， 说明待测电容值小于 100pf;声音报警说明选择的量程档位太小，应调大。最大量程时依然 报警说明待测电容值大于100uf,超出仪表范围。4、下面我们以测待测电容 q

24、的电容量为例说明电路工作过程及测容原理：将测量电容插入待测插座。按一下测量开关 k4, k4产生的负脉冲将计数器和寄存器清零，同时触发 ic1,则由 ic1为主组成的555单稳态触发器会产生一个有一定延迟时间的负窄脉冲，既启动脉冲，启动脉冲作为ic2为主组成的555单稳态定时器的输入信号输入 ic2,则由ic2会产生 一个宽度为tw=1.1rpicx的矩形脉冲，用这个矩形脉冲输入到 74161计数器的使能端ep、 et端，由161记数器的功能表可知，即可形成计数器计数的闸门信号。同时由ic3为主的555无稳态多谐振荡器已经开始工作产生周期为 t=0.7(rpi+a)*1000p的脉冲信号(其中

25、为上电阻)，即为基准脉冲信号，他作为 161的cp脉 冲，则此时，161在闸门内计数。四片161芯片构成10000进制计数器计数值没超过仪表量程时， 计数器计数终值的每 一位分别由74ls175锁存，然后由74ls47译码，最后由四个 led数码管显示出来，显示 值乘以倍数加上单位即为待测电容值。如果发现cx值不在本档位量程范围以内，则报警器会报警，同时数码管显示0,则可根据说明选择其他档位。若三个档位均可报警，则说明cx值不在本仪器量程范围内。三、各单元电路的设计与分析1、基准脉冲发生器(555振荡电路)分析如总图(图11数字电容计总电路图)中的 ic3(555振荡器)及所属电路所示，将 5

26、55 定时器与几个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。当加上vcc电压时，由于电容上端电压不能突变，故 555处于置位状态，输出端 3号 脚呈高电平“ 1”，而内部的放电 coms管截止，c通过rp和两个电阻对其充电，6脚电位随c上端电压的升高呈指数上升，波形如图 12所示。当c上的电压随时间增加，达到2vcc/3阈值电平（7脚）时，上比较器 a翻转，使rs触发器置位，经缓冲级倒相，输出vo呈低电平“0”。此时，放电管饱和导通，c上的电荷经下面的电阻至放电管放电。当c放电使其电压降至1vcc/3触发 电平（2脚）时，下比较器 b翻转，使rs触发器复 位，经缓冲级倒相，输出 vo呈高电

27、平“1”。以上过 程重复出现，形成无稳态多谐振荡。由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间 t就是c上的电压从 1vcc/3充电到2vcc/3所需的时间，故c两端电压的变化规律如（图 12）所示：本设计用它产生 t=0.11ms的基准脉冲。vcc -图12波形图2、启动脉冲发生器ic1、ic2 （74121单稳态触发器脉冲延时电路）：本次设计，利用其触发功能实现窄负脉冲的延时，如总图中按测试开关后，ic1的b号管脚会输入一个负脉冲，受该脉冲上升沿触发，产生一个宽为7ms的正脉冲。此正脉冲输入ic2的a1、a2脚，正脉冲的下降沿触发，ic2的uo2输出一个宽为0.7us的负脉冲，作

28、为 启动脉冲。3、 转化为tw宽度的矩形脉冲555定时器构成单稳态触发器如图 总图 （图11数字电容计总电路图）中的 ic1所示， 该电路的触发信号在2脚输入，r和c是 外接定时电路。单稳态电路的工作波形如 图13所小。在未加入触发信号时，因 ui=h,所以 u0二l。当加入触发信号时，ui=l,所以uo=h, 7脚内部的放电管关断，电源经电 阻r向电容c充电，uc按指数规律上升。 当uc上升到2vcc/3时，相当输入是高电平,ic3 （555单稳态定时器）图13单稳触发器波形图555定时器的输出uo=lo同时7脚 c经放电管迅速放电。从加入触发内部的放电管饱和导通时，电阻很小，电容信号开始，

29、到电容上的电压充到2vcc/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间，用tw表示。ic2的uo2输出的负脉冲送入ic3的2号脚，受其下降沿的触发，ic3的3号管脚输出宽度为tw=1.1rpicx的矩形脉冲。4、计数器：ic2输出的矩形脉冲送到74161的ep、et,ep=et=1时，161开始计数到矩形脉冲的下降沿为止，以后 ep=et=0, 161处于保持状态，只有下一次受启动脉冲的影响清零并重新计5、寄存一译码一显不系统：计数器的计数值送到锁存器 74175的输入端闸门脉冲的下降沿反乡后，作为 175的cp 脉冲触发175锁存计数终值并由输出端送出到 bc

30、d七段译码器，将其译码并由7447led数 码管显示，如果清零脉冲没有到达就一直显示，清零键按下后，清零。第三章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器参数测试仪，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 元件参数转换成频率后测量的方法也有不足之处，主要是必须保证电路起振， 并且振荡要稳定，否则会增加误差。总体来说，本次设计是成功的。体会一：对本次设计，非常重要的一点是感触是：无论在什么的情况下，做事都要先调 整好心态。那一个星期五老师将课题安排下来之后，我选了 “数字频率计的设计”，周六、周日我都已经准备了两天了。而周一的时

31、候，学习委员说我们组被踢了。当天我真的是挺不愉快的，因为毕竟我已经准备了两天了，而且我们又是班里唯一的一组被踢的。但是当天又不得不赶快另外再选一个。后来我选了 “数字电容测试仪”，当天又赶紧设计电路，因为一直感到很不平，不能冷静的思考，结果一直到了晚上才设计出电路。后来想想，如果当天不 是一边生气一边想的话， 一个上午的时间绝对是足够的，因为后来设计的电路原理和以前想的频率计的设计原理有很大的相同之处。生气一天真的挺不值得的。这只不过是一次课程设计而已，毕竟是要有一组要退出的，以后步入社会事情会更加复杂。全当这次是一次模拟训练吧。有了一次训练经验，以后我会不断提醒自己：不管已经发生了什么事，把眼前和将来 要处理的事情做好才是最重要的。体会二：回顾起此次课程设计， 至今我感慨颇多