简易数字式电容测试仪本科

1、简易数字式电容测试仪本科职业技术学院毕业论文题目：简单数字式电容测试学生：XXXX学号:XXXXXXXXXXXXIII / 22院（系）：职业技术学院专业:XXX)CXXXXX指导教师：XXXXXXXXXXX2013年5月2日陕西科技大学职业技术学院毕业设计（论文）任务书XXXXXX专业XXX班级学生:XX题目:简易数字式电容测试仪毕业设计（论文）从2013年2月5日起到2013年5月乙日课题的意义及培养目标：现如今，信息正是一个高度发展的产业，而数字技术是信息的基础，数字技术是目前发展最快的技术领域之一，数字技术在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的

2、工具已经发生了变化，但大规模集成电路中的基本模块结构仍然需要基本单元电源电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模或中规模地方法仍然需要我们掌握。本数字式电容测试仪采用的是伏安法测电容，设计的被测电容比较小用这种方法测量简单，采用稳压电源提供电压是测量更加精确。本数字式电容测试仪采用低压测量，设计一个稳压电源提供稳压直流电源,在被测电容两端加以稳压电压就有电流通过，通过采集电流信号，将电流信号在转化为电压信号进行AD转化处理，处理完数据再送入单片机和显示电路进行显示。设计（论文）所需收集的原始数据与资料：2 .电子元器件基础简易数字式电容测试仪本科3 .检索A/D转换电路理论基础4 .电路

3、模拟技术及硬件5单片机基础课题的主要任务（需附有技术指标分析）：1 .了解数字式电容测试仪的设计思路及方法2 .熟悉测量仪器的使用?.：掌握信号处理的方法4 .掌握电子系统设计5 .综合运用数字电路，模拟电路和单片机技术的综合技术6 .研究数字式电容测试仪的应用7 .掌握单片机系统设计设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周次设计（论文）任务及要求第周检索、收集资料第45周整理资料，确定设计方案第67周完成电路图、流程的设计第8-12周电子元器件的选取，并完成元器件的连接第13周进行测试、修改第14-15周完成论义义字撰与部分第16周修改并完成毕业设计，打印相关图表，准备参加

4、答辩学生签名：日期:指导教师：日期:教研室主任：日期:III / 22简易数字式电容测试仪摘要由于单稳态触发器的脉冲宽度tw与电容C成正比,把电容C转换成脉冲宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送锁存一译码一显示系统就可测得电容的数值。时钟脉冲可由555构成的多谐振荡器提供。如果时钟脉冲的各参数合适，数码管显示的数字N便是待测电容G的值。关键字:电容测试仪，闸门信号，标准频率脉冲，多谐振荡器，单稳态振荡器,555,74160,计数器SimpledigitalcapacitancetesterABSTRACTDuetothepulsewidthofmono

5、stabletriggertwisproportionaltothecapacitanceC,thecapacitanceCisconvertedintopulsewidthfortwrectangularpulse,andthenuseitasagatesignalcontrolcountermeterstandardfrequencypulsenumber,andsendlatch-decoding-displaysystemcanbemeasured,thevalueofcapacitance.Clockpulsemultivibratorcomposedof555avajlable.I

6、ftheparametersoftheclockpulsehedigjtaltubedisplaydigitalistomeasurethevalueofthecapacitorCxN.KEYVVORDS：Standardcapacitancetesterzgatesignal,frequencypulsemultivibrator555,74160,monostableoscillatorcounter目录摘要IABSTRACT11专科毕业论文（设计说明书）各部分的装订顺序11 .1系统概述21 .2总体方案的选择及可行性分析32 .3方案论证32单元电路设计分析43 .1555定时器44

7、.2用555定时器构成的单稳态触发器55 .3用555定时器构成的多谐振荡器66 .4占空比可调的多谐振荡器电路72. 5同步十进制计数器74LS16083. 6位集成寄存器74LS17594. 7LED数码管103结束语115. 1总结116. 2收获与体会114 致谢125 参考文献136 附录146.1附录一元器件表14简易数字式电容测试仪本科1系统概述1.1 总体方案的选择及可行性分析数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的值，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是LED显示，另一部分就是要将a值进行转换。能满足上述设

8、计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：方案一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，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCIn31.IRCo从式中可以看出，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟着改变，由,的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V。取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则V。的平均值也不同，由V。的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对A/D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。方案二

9、用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，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。方案三：像测量R一样，测量电容C的最经典方法是电桥法，如图1所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件是：Zi»Zn*expj(%+4>n)=Z2*Zx#expj(")小工)R9R10<-VAV-W-|59kQ|5k£)GOQOMOTOR0R11XR125kQ5kD图(1)通过调节阻抗乙、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求出被测电容。用这种方法测量，调节电

10、阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案四：应用基本思想：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。先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C的值，并送出显示，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，该计数脉冲送至计数一锁存一译码一显示系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，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式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指

11、针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。1.3方案论证1. 3.1设计思路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。先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，L3.2设计的总体框图该方案的总体方框图如图2所示:图（2）总体方框图5 / 222单元电路设计分析2. 1555定时器555电路符号如图3所示，如图4为555等效功能框图中包含两个coms电压比较器a和a,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？声织相等的分压呷？网络，以及输出缓冲级。三个电阻组%IRd成的分压网络为上比较器a和为比W器a,0;分型提供2v«/3和/3的偏置电压。

12、8473"o%66555图（止555等效功能框配L2. 2555定时器的工区原理是:当输入电压取2匚A3,.时.电压比较罂C反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电Q比较器555通时瞬急胳酷构图一个负极性的信号，电压比较器3的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器G同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器G的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器G的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS触发器被置位，输出电压U。等于lo555定时器输出与输入的关系也可用功能表来描述，如表1所示Rdui6心UoT的工作状态0XX0导通1<2VCC/3&

13、lt;VCC/31截止1<2VCC/3>VCC/3不变不变1>2VCC/3>V£C/30导通（表1）简易数字式电容测试仪本科山上表可知：2.2.1当输入电压Ui6<2Vcc/3时，氏从VV«/3变化到>V«/3时，电压比较器G反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C的输出电压为高电平信号“1”，RS触发器处在保持的状态,保持也6V2V«/3,几VV«/3时的输出状态,输出电压U。等于1。2.2.2当输入电压Ui2>Vee/3时，从>2V«/3变化到V2V«/3时,电压比较

14、器G同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器G的输出电压为高电平信号“1”，RS触发器处在保持的状态，保持L6>2Vcc/3,L>Vcc/3时的输出状态，输出电压U。等于0。2.2.3当输入电压&6>2Vcc/3,UQVcc/3时,电压比较器加反相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器C：的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器Q的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”，RS触发器被复位，输出电压U。等于0。2.3用555定时器构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图6所示，其工作原理如下：(a)(b)当接通电源v«

15、;后，电容C上的初始电压为0V,比较器Q和a输出为1和0,使U=l,放电管T截止，电源通过瓦、R二向C充电。口上升至2兀/3时，RS触发器被复位，使也二0,T导通，电容C通过艮到地放电，I；开始下降，当U,降到V«/3时，输出U。乂翻回到1状态，放电管T截止，电容C乂开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。由图6（b）所示，U,将在V«/3和2V«/3之间变化，因而可以求得电容C上的充电时间和放电时间Z：T尸（Ri+RjCIn20.7（Rx+R：）CTc=R：CIn20.7R:C所以输出波形的周期为T$+Ty（R1+2愉）CIn20.7（R：+2R=）C

16、振荡频率f=l/T-1.44/（RX+2R：）C占空比q二（Rx+R：）/（R1+2R。>50%如果R>>R=,贝Ijqgl,U近似为锯齿波。2.4占空比可调的多谐振荡器电路在图7所示电路中，由于电容。的充电时间常数尸（冗+足）。，放电时间常数七二是C,所以7；总是大于3，%的波形不仅不可能对称，而且占空比。不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容。充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图7所示。由于二极管的引导作用，电容。的充电时间常数尸用G放电时间常数一二足Q通过（图7）84一36555215丰0.0时-1C1简易数字式电容测

17、试仪本科与上面相同的分析计算过程可得：斯0.746=01RZC占空比为：T.E0.7/?,CR、q=T岂十720.7鸟C+0.7&C鸟+我2只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比Q,当凡二用时，行0.5,匕就成为对称的矩形波2.5同步十进制计数器741_5160同步十进制计数器74LS160如图8所示：E_ QgQ：Q：Qs口 74LS160 C0毁） DcD：D：D3步十进制具有同步计数和保图(8)74LS160管脚图74LS160是集成同计数器，该计数器预置、异步清零、持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。11 / 2274LS160的功能表如表2所示:将十进制以

18、下计数器可采用以下两种反馈方式:74LS160 构成EPETCP功能0XXXX清零10XXt置数1111t计数110XX保持11X0X保持二.74LS160的功能表2.5.1反馈清零法反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零（清零）。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使数电路同步或异步地复位。2.5.2反馈置数法反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在满足条件时,计数电路输出状态为给定的二进制码。2.6位集成寄存器74LS175图9所示是由D触发器组成的4位集成寄存器74LS17

19、5的逻辑电路图。其中，Rd是异步清零控制端。DOD3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，QOQ3是并行数据输出端。IQQ在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行的出现在四个触发器Q端。1QQC1 ID A74LS175的功能如表3所示CP RdID 2D 3D 4DQi Q2 Q3 Q4X0T1表三.74LS175的功能雪f01X X X XID 2D 3D5X X X XX X X XX X X X保持I1简易数字式电容测试仪本科4结束语4.1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

20、特点。但是这种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也有不足之处，主要是由于电路的影响，输出的电容在某一个周期里误差会很大。也可以通过加入延时清零电路，设置更多的档位来减小误差，使其精度更高。总体来说，本设计是成功的。4.2收获与体会回顾起此次课程设计，至今我感慨颇多。的确，从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，在整整两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是能学到好多东西,不仅可以巩固以前所学过的电子技术专业知识，而且学到了仿真软件的基本操作。通过这次课程设计，我懂得了理论与实践相结合的重要的，仅有理论的知识是远远不够的，只有把所学到的专业知识与实践结合起来，从实践中得出结

21、论，才能真正的理解掌握理论知识，提高自己的实际动手能力和独立思考能力。在设计的过程中难免会遇到各种各样的问题，但是我们迎难而上，通过查资料和请教老师努力研究、解决问题;同时在分析测容原理与设计的过程中发现自己的不足之处，如对以前学过的专业知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，我们通过认真学习和掌握专业知识可以更好的完成课程设计。对这次设计的电路，我最满意的是量程控制所达到的高精度效果。为提高精度，本仪表只显示1009999之间的数，当然具体的容值还要看量程档位。如果要更加完善设计，还是有很大的发展余地的，比如说可以加入延时清零电路，可以设置更多的档位等等。我们组三人依据分工，高效率的查询了大量资料，电路图是我们依据原理自行设计，然而结果却与理论上有不少出处，随着今后的学习我们也会继续将之改进。此次课程设计不仅进