电容测量仪设计

1、江苏师范大学科文学院本科生课程设计课程名称：.电子线路综合课程设计题目：电容测量仪的设计专业班级：13电信2学生姓名：.彭振华学生学号：128326220日期：.2015年6月指导教师：.杨增汪科文学院教务部印制一、课程设计目的、任务和内容要求：目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范 围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。因此，设计可靠， 安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率 后进行测量。由于测量电容方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555定时器基础上拟定的一套自己的设计

2、方案。 是尝试用555定时器将被测参数转 化为频率，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参 数。具体设计任务如下：1 .熟悉电容测量仪的工作原理；2 .写出电容测量仪的设计方案；3 .用硬件加以实现；4 .写课程设计报告。设计要求：设计一个数字电容测试仪。要求：1 .测量范围为1uF100uF2 .测量结果用2位数字显示；3 .测量误差小于20%二、进度安排：第13天：查找资料，熟悉简易数字式电容测量仪的设计原理，给出设计总体万案；第46天：各模块的详细设计；第712天：硬件连线，调试；第1314天：写课程设计报告。二、主要参考文献：1童诗白.模拟电子技术基础M.第2版，北

3、京：高等教育出版社， 1986.2427.2杨兴琼，张益清，杨震绪.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版 社，2006.1012.3蒋立平.数字逻辑电路与系统设计M.北京：电子工业出版社，2009.4刘修文主编，新编电子控制电路 300例，北京.机械工业出版社，2006出版.5陈有卿，叶桂娟.555时基电路原理设计与应用M.北京：电子工业出版社， 2007.6林涛、楚岩、田莉娟、林薇、编著数字电子技术基础.清华大学出版社.2006.1目录摘要 IIAbstract II1引言 11.1 设计背景及意义 11.2 电研究容测试仪的发展历史及现状12设计方案简述 22.1 设计目的 22

4、.2 设计内容及要求 22.3 方案论证及可行性分析 .23详细设计 43.1 时钟脉冲发生器 43.2 单稳态触发器 43.3 计数、译码、显示电路 53.4 总电路图 64设计结果及分析 74.1 设计结果.74.2 电路的调试. . 75总结 .:75.1 整体评估 75.2 心得体会 75.3 献 .9摘要现数字电容测量仪是计算机、 通讯设备、 音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。现在常用的测量方法是电容表法和充放电法。 本设计使用一个555 定时器，搭建成单稳态触发器电路和多谐震荡器，两者相与后作为控制脉波接入计数器；在固定周期内采用 74ls90 对计数波计数，并使用译码器，

5、将数据在数码管上显示出来。关键词： 555 单稳态触发器 多谐震荡器计数器 译码器Abstractthe digital capacitance measuring instrument is indispensable to the computer, communications equipment, audio video and other scientific research and production. Now the common measurement method is capacitance meter method and charging and dischargi

6、ng method. This design uses a 555 timer, build a monostable trigger circuit and the multivibrator, two phase and as the control pulse access counter; 74ls90 is used to count the wave count in the fixed period, and use the decoder, the data in the digital tube display.Keywords ： 555 monostable multiv

7、ibrator counter decoder1. 概述1.1 设计背景及意义目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。由于测量电容方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555 定时器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用 555 定时器将被测参数转化为频率，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。1.2 电容测试仪的发展历史及研究现状当今电子测试领域，电

8、容测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在

9、此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。2 .系统概述图i数字电容测试仪的原理框图该系统主要由标准脉冲发生器、单稳态触发器、测量控制电路、计数器、译码器 和显示器等部分组成。其原理图如图 i所示。2.1 设计目的(1)掌握简易数字式电容测试仪的设计、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；(3)学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤；(4)进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；(5)学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧。2.2 设计内容

10、及要求(1)设计一个数字电容测试仪；(2)测量范围为1uF100u后(3)测量结果用2位数字显示；(4)测量误差小于20%2.3 方案论证与可行性分析在设计之初我查阅了大量的资料，进行了全面的考察，结合我们所学的知识, 我进行了以下的方案论证及可行性分析：2.3.1 恒压充电法测量1用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲 线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原 始公式是：C i dt/du 0可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方 法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字 化。2.3.2 恒流充电

11、法测量2用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的， 所以可以利 用AD或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公 式是：C i t/u。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。 由上面的公式即可求得电容的大小。 使用这种方法来测量，精度较上一种方法有 所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，包流源的的设计要求很高，且达 不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。2.3.3 用脉冲计数法测量电容3利用NE555电路的多谐振荡器或单稳态电路来测量。本方案采用单稳态触发器或 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

12、度TX严格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.该方案 的原理框图如图2所示。图2脉冲计数法测电容流程图2.3.4 可行性分析通过以上方案的比较，选择了第三种设计方案。此方案是对555定时器与各集成 芯片应用的一个成果，由此来掌握中大规模集成电路的设计及使用方法。简易数字式电容测试仪主要分为六大板块：由 555定时器构成的多谐振荡器、555构成 的单稳态触发器、计数器、CC4511构成的数码显示译码与锁存器、共阴极数码 管、电阻电容构成

13、的微分电路。3 .各部分电路设计3.1 时钟脉冲发生器4由于电容测试仪对精度要求不高，因此时钟脉冲发生器可以用555定时器和RC定时元件组成。电路如图所示。其振荡周期可以用以下式子计算：T=0.7(Ri+2R)Ci由此可知，调整Ri、R和G的参数可改变时钟脉冲的周期，控制端 CO寸接地的 电容0.01uF用以消除干扰，电位器 R用以调节555定时器内部两个电压比较器 的基准电压，可用于微调振荡频率。Q Vix出时伸腺冲0.01 UF图3时钟脉冲发生器3.2 单稳态触发器5电路如图1下半部分所示。它的主要作用是将被测电容 G容量的大小转化成与之成正比的脉冲宽度。单稳态触发器由定时器 555和RC

14、定时元件组成。其工作原理如下：测量控制电路由R、G、Si和或门组成，主要用于提供单稳态触发器的负触 发脉冲。未加触发信号时，单稳态触发器处于稳定状态， OU础输出低电平，使 舟2端为低电平，多谐振荡器停止振荡。这时或门 G输入A点为高电平，单稳态 触发器的触发输入端TR也为高电平，电容G两端的电压为0伏。当被测电容CX接入电路后，只要按一下测量开关 S, A点产生一个负尖脉 冲，通过或门使触发输入端TR产生负跳变，单稳态触发器进入暂稳态状态，这 时输出OU础低电平正跳跃到高电平，其一方面通过G、R9组成的微分电路及二 极管Vd输出的正尖脉冲使其计数器清零，同时使RL为高电平，多谐振荡器开始振荡

15、，输出端OUT输出的时钟脉冲送入计数器进行计数。在单稳态触发器进入 暂稳态期间，Vdd经R4对被测电容G进行充电。当暂稳态结束时，输出 OU础由 高电平负跃到低电平， %为低电平，RL为低电平，多谐振荡器停止振荡，计数 器停止工作。暂稳态维持的时间就是单稳态触发器输出的脉冲宽度Tw,可用下式进行计算：T=1.1R4G 由上式可以看出：单稳态触发器输出脉冲宽度 Tw时间内测得的时钟脉冲个数与 被测电容CX的容量大小成正比。图4单稳态触发器电路3.3 计数、译码和显示电路63.3.1 计数器计数器主要用来对时钟进行计数并送入显示电路显示。计数器选用741s90进行设计较简便。741s48是双BC叩

16、同步十进制计数器，每个计数器包含两个时钟输入端：CP和EN CP用于上升沿触发，要求 EN=1; EN用于下降沿触发，要求 CP=Q CR是异步复位端，高电平有效，正常计数时 CR=0这里，我们要测量的 电容范围是0到99uF,需要两位十进制计数器进行级联。其级联的方法是将低位的Q端接高位的EN端，高位计数器的CP端接地。其输出端 Q3Q2Q1Q0出8421BCEK,接显示译码器的代码输入端。电路如图 5所示。图5计数器电路3.3.2 译码器电路译码显示电路的设计比较简单，只需选择合适的4线-7线显示译码器，并将计数器输出的8421BC则作为显示译码器输入的代码，器7段的输出信号和七 段LED

17、数码显示器相应段相连后，则七段数码显示器便显示相应的十进制数字。 显示译码器选用741s48,该译码器为BCD七段锁存/译码/驱动器，其数据输入 端接计数器Q3Q2Q1Q0输出的BCDB,译码器的输出端接共阴极七段半导体数 码显示器。控制端LT和BI接高电平，LE接低电平，具体接法见图5。3.4 总电路I I Fl vs. lib. n. 氏 m 启 Uhit. n图6总电路的连线图4 .设计结果及分析4.1 设计效果接通电路，按下开关s,数码不断跳数，最后停止，显示的电容数值与被测 电容的标称值接近。表1测试数据测试电容显示数值4.7uF0610uF1147uF53100uF11（超过显小里

18、程）4.2 电路调试按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。计数、锁存、译码和 显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，不用调整.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，使输出脉冲频率约为500Hz占空比为0。接着调试控制器.将一个100pF的标准电容接到测试端， 按一下开关s,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100，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可以调节R3B重复上述步骤，经多次调整直到符合要

19、求 为止。5 . 总结5.1 整体评估电路整体功能正常， 而且可以达到题目的基本和扩展功能， 通过细致的焊接，模块之间仔细的连接调试， 效果的美化， 都是尽心尽力了。 但是有时候电路工作不稳定。本次的设计中的数码管亮度不是很够，而且6、 9 字样显示比较不符合美观效果。5.2 心得体会通过本次课程设计，我深刻了解到了理论和实践相结合的重要性，首先是对于电路的设计， 自己的理论知识太欠缺了， 对于很多芯片的用途和原理都不太了解，以至于无从下手，其次是第一次使用烙铁焊东西，感觉很是生疏，老是焊错线路， 差错比较多， 所以在做课程设计时准备要充分， 查找一定的资料帮助自己更好地理解，最后，我觉得最重要的是课程设计的完成离不开大家的互相帮助，遇到不懂得地方要及时向同学请教帮助。本次课程设计使我受益匪浅，只有将学到的理论付之实践, 才是我们学习的最终目的，还有学习中要互相帮助，互相学习。参考文献1 童诗白 . 模拟电子技术基础M. 第 2 版，北京：高等教育出版社， 1986.2427.2杨兴琼，张益清，杨震绪.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版 社， 2006.1012.3 蒋立平 .数字逻辑电路与系统设计M. 北京：电子工业出版社， 2009.4 刘修文主