电容数字测量仪

1、数字电子技术基础课程设计(论文)电容数字测量仪 院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级 学号 学生姓名 指导教师起 止 时 间： 2014.12.292015.1.11课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目电容数字测量仪课程设计（论文）任务任务要求：电容数字测量仪是用数字显示方式实现对电容量大小的测量，由译码电路、锁存、计数、显示电路等部分组成，利用被测电容的充放电实现电容量的测量。技术要求：1、采用中、小规模数字集成电路实现。2、要求能测试的电容容量在100pF至100F范围内。3、至少设计制作两个以上的测量

2、量程。4、用三位数码管显示测量结果。5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占20%，答辩成绩占40%，论文成绩占40%。本科生课程设计（论文）摘 要随着科技的不断发展，人类的不断进步，在电子技术领域的发展可谓突飞猛进，然而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着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。而目前电容量的测量仪器电容测量仪的应用越来越广泛，电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，而目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。

3、本设计是基于555定时器连接构成多谐振荡器而测量电容的。多谢振荡器中所涉及的电容，即是被测量的电容。利用电容器充放电规律等，然后用555定时器构成的多谐振荡器产生一定周期的脉冲信号，就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。信号的周期可以根据所选的电容，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。因为脉冲信号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，其精确度可以达到0.1%。关键词：多谐振荡器、555集成电路、数码管、计数器、译码器目 录第1章 绪论11.1 电容数字测量的发张状况11.2本文研究内容1第2章 电容数字测量仪总体

4、设计方案22.1方案比较22.4 电容数字测量仪的总体设计方案4第3章 电容数字测量仪电路设计53.1 单元电路的设计53.1.1 多谐振荡器53.1.2 控制电路63.1.3 计数部分73.1.4 BCD码驱动器93.1.5 7段LED数码管103.2元器件型号选择103.2 整体电路图11第4章 仿真与调试124.1 Multisim仿真与调试124.2 仿真结果分析13第5章 电容数字测量仪的实物制作145.1电容数字测量仪实物焊接14第6章 课程设计总结16参考文献17附录1 整体电路图18附录2 器件清单19II第1章 绪论1.1 电容数字测量的发张状况现代工业的发展，对工况参数的实

5、时监测已显得越来越重要了，参数监测分电量和非电量两大类。对于非电量参数的测量，测量的成功与否决定于传感器的质量和对感应信号的提取。在各类非电量传感器中，电容传感器可以说是用得最普遍的一种了，在工业现场它作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的传感元件，应用已相当广泛。在煤炭行业，电容传感器在生产开采、安全监测及选煤自动化方面已大量应用，正确及时取得电容传感器的信号对监测监控有着重要的意义。由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了

6、解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。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。1.2本文研究内容电容传感器主体由两个极板组成，结构简单，可组成平板、曲面、圆筒等多种形式，极板一般由金属做成，能经受很大的温度变化及辐射等恶劣环境条件。电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。因C太小，故容抗很大，为高阻抗元件；由于电容小，需要作用的能量也小，可动的质量也小，因而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率P=U20C，C很小，P也很小，这使它易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。

7、同时由于电容小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都产生影响。传统的测量方法采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路（普通交流电桥、变压器电桥、双T二极管电桥）；脉冲宽度调制电路；调频电路等等。模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。数字化测量电容传感器容量，可使信号在传感器就地转换为数字信号后，进行远距离传输，转换电路简单性能稳定。1第2章 电容数字测量仪总体设计方案2.1方案比较方案一：如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx

8、成正比的直流电压Ux ，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。（电路如图2.1所示）设三角波函数式为 UI=K（0 <1） (2-1) UI=K（<2） (2-2)因为 (2-3) (2-4)所以 （0 <1） (2-5) （<2） (2-6)图2.1方案电容测量框图 方案二:用下图的框图代替A/D转换器，可得到第二种方案。图中压控振荡器输出矩形波，它的频率Fx与Ux 成正比，而Ux与被测电容Cx成正比，因而Fx与Cx成正比。在计数控制时间Tc等参数合适的条件下，数码管显示器的数字N与Cx的大小可符合题中所要求的函数关系。（电路如图2.2所示）图

9、2.2方案电容测量框图方案三：如图所示，利用单稳态电路或电容充放电电路等可以把被测电容器的大小转换成脉冲的宽窄，即脉冲的宽度Tx与Cx成正比，只要把此脉冲与频率固定的方波（标准脉冲发生器产生的脉冲）相与，便得到计数脉冲，将它送给计数器，锁存器，译码器和数字显示器。如果标准脉冲的频率等参数选择合适，便可实现题中要求的函数关系式。（电路如图2.3示）图2.3方案电容测量框图方案比较：方案一采用了A/D转换器，价格比较昂贵；方案二比较复杂，安装调试困难；方案三电路简单，测量时间短，精度高，分立元件少；综上所述应采用方案三。2.4 电容数字测量仪的总体设计方案如果把5 5 5定时器集成电路与被测电容接

10、成多谐振荡器。根据公式: T=(+2)*C*ln2 (2-7)则其输出脉冲波形的周期T 与外接电容C 值成正比。因此如果能够测出波形的周期, 则电容值就容易确定。具体方案框图如下图所示：1k和1MHz的标准频率BCD码驱动器计 数 器七 段 数 码 管控制电路计数控制部分由D触发器产生所需的脉冲控制信号C由555定时器构成的多谐振荡器图2.4 总体方案框图第3章 电容数字测量仪电路设计3.1 单元电路的设计3.1.1 多谐振荡器用555定时器与被测电容构成多谐振荡器，如图3.1所示，其输出脉冲波形的周期T 与被测电容C 值成正比: T=(+2)*C*ln2 （3-1）令R1+2R2=1/ln2

11、*104那么： T=C*104 （3-2）当量程在100nF到100uF：C=x*10-7 T=x*10-3 （3-3）当量程在100pF到100nF：C=x*10-10 T=x*10-6 （3-4）图3.1 多谐振荡器其仿真结果为:图3.2 多谐振荡器仿真结果3.1.2 控制电路由双D触发器、与非门和非门等构成。如图3.3所示，其功能是：一、对来自于多谐振荡器的脉冲信号进行处理，产生所需的信号。二、对D触发器进行清零控制，以便控制整体电路的清零与计数。脉冲信号控制信号1控制信号2 图3.3 控制电路其控制信号1、2仿真结果为：图3.4 控制信号1图3.5 控制信号23.1.3 计数部分由3个

12、74LS160构成。74LS160是同步十进制加法计数器，其电路的状态从0000到1001，具有同步预置数端、异步清零端和保持的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。先对74LS160的基本功能进行测试，并将计数器的工作状态填入表3.1中。 异步清零：当0时，Q 0Q1Q2Q30。 同步预置：当0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3。锁存：当使能端时，计数器禁止计数，为锁存状态。 计数：当使能端EPET1时，为计数状态。表3.1  74LS160的逻辑功能表时钟CP异步清除同步置数EP&#

13、160;    ET工 作 状 态×0××      × 10×      × ×110       1 ×11×      0 111       1 量程选

14、择：由（3-3），（3-4）可知，当计数器工作频率为1kHz时，其计数的结果的单位为100nF，量程为100nF到100uF；当计数器工作频率为1MHz时，其计数的结果的单位为100pF，量程为100pF到100nF。计数部分电路如下图所示：控制信号1控制信号2图3.6 计数部分电路3.1.4 BCD码驱动器BCD码驱动器（CD4511如下图所示）具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。图3.7 CD4511其功能介绍如下：  BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 &#

15、160;LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。  LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。  A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。  a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。表3.2 CD 4511的真值表 输         入 输  

16、;       出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 0111101

17、0000000消隐 01111100000000消隐 011111100000 0消隐 111XXXX锁        存 锁存 3.1.5 7段LED数码管显示部分由BCD码驱动器与7段LED数码管组成，7段LED数码管型号为1位共阴/红色0.5英寸。显示部分的电路结构为：图3.8 显示部分电路3.2元器件型号选择555定时器、74LS160计数器、CD4511BCD码驱动器、74LS74 D触发器、74LS04非门、74LS86异或门、74LS00二入与非门、7段LED数码管、电阻和电容若干3.2 整体电路图图

18、3.9 整体电路第4章 仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试根据方案要求，若我们选择5uF的电容进行测试，应选择频率为1000Hz的计数器工作频率，所以应将函数信号发生器调到1KHz，调试如图4.2所示。然后点击运行，得到其整体仿真如下图4.1所示。图4.1 仿真结果图4.2 计数器工作频率4.2 仿真结果分析由图4.1仿真结果所示，可知显示结果为50，根据“3.1.3计数部分的量程选择”可知，单位为100nF，即结果为50×100nF=5uF。这个结果与被测电容一致，所以仿真正确第5章 电容数字测量仪的实物制作5.1电容数字测量仪实物焊接第6章 课程设计总结在两个星期的课程

19、设计之后，我不仅感到了自己的实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我对专业知识的兴趣，并为以后能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习打下了基础。这次数字电容测试仪的设计使我把学到的由555定时器组成的多谐振荡器和单稳态触发器，74LS160十进制加法器以及LED数码管都运用到了电路中，从而加深拉了我对这些知识的理解和运用，使我受益匪浅。当然设计过程当中我们还遇到了一些问题，由于设计这两个模块需要对555集成块进行连接，但是当时对555集成块理论知识的掌握不够全面，所以导致设计出来的电路无法正常工作，所以我们又一起参考数电课本和图书馆借来的资料，把555集

20、成块的结构和功能研究了一遍，最后终于成功设计出来。可是当我们把所有模块全部连接起来以后，运行该数字电容测试仪时，显示屏上一开始一直显示的是111，每次测试的时候都是从111这个数值的基础上开始累加。后来经过我们对电路的研究，发现没有设计调零电路，所以我们在电路图上设计了一个自动调零电路，这样，从111开始计数的问题就解决了。接下来的设计中也遇到了各种各样的问题，同时在分析测容原理与设计的过程中也发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，使我认识到了自己要学习的还有很多的。总之，这次课程设计让我学到了很多，也认识到了很多，很感谢学校给我们这次课程设计的机会。课程设计不但锻炼了我们的动手能力还让我们对自己所学的专业知识有了更深的理解。在此期间，在老师的身上我也学得到很多实用的知识，在此表示对我们指导老师的感谢。还有我们同组的帮助过我的同学也表示感谢。参考文献1唐竞新.数字电子电路M.第1版.北京：清华大学出版社，2003 2康华光.电子技术基础M.数字部分.第4版.北京：高等教育出版社,20003电子工程手册编委会等.中外集成电路简明速查手册M-TTL,CMOS.北京：电子工业出版社,1991