簡易數(shù)字式電容測試儀_本科畢業(yè)論文.doc

職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 論 文 題目：題目： 簡單數(shù)字式電容測試簡單數(shù)字式電容測試 學(xué)學(xué) 生：生： xxxxxxxx 學(xué)學(xué) 號：號： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 院院 （系）：（系）： 職業(yè)技術(shù)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 2013 年年 5 月月 2 日日 陜 西 科 技 大 學(xué) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 xxxxxx 專業(yè) xxx 班級 學(xué)生：xx 題目：題目： 簡易數(shù)字式電容測試儀簡易數(shù)字式電容測試儀 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）從 20132013 年 2 月 5 日起到 2013 年 5 月 2 日 課題的意義及培養(yǎng)目標(biāo)： 現(xiàn)如今，信息正是一個高度發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，而數(shù)字技術(shù)是信息的基礎(chǔ)， 數(shù)字技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，數(shù)字技術(shù)在數(shù)字集成電路集成 度越來越高的情況下，開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的使用方法和用來實(shí)現(xiàn)這些方法的工 具已經(jīng)發(fā)生了變化，但大規(guī)模集成電路中的基本模塊結(jié)構(gòu)仍然需要基本單 元電源電路的有關(guān)概念，因此用基本邏輯電路來組成大規(guī)?；蛑幸?guī)模地方 法仍然需要我們掌握。 本數(shù)字式電容測試儀采用的是伏安法測電容，設(shè)計(jì)的被測電容比較小用這 種方法測量簡單，采用穩(wěn)壓電源提供電壓是測量更加精確。本數(shù)字式電容 測試儀采用低壓測量，設(shè)計(jì)一個穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)壓直流電源，在被測電容 兩端加以穩(wěn)壓電壓就有電流通過，通過采集電流信號，將電流信號在轉(zhuǎn)化 為電壓信號進(jìn)行 ad 轉(zhuǎn)化處理，處理完數(shù)據(jù)再送入單片機(jī)和顯示電路進(jìn)行 顯示。 設(shè)計(jì)（論文）所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料： 1 檢索模擬放大電路理論基礎(chǔ) 2. 電子元器件基礎(chǔ) 3. 檢索 a/d 轉(zhuǎn)換電路理論基礎(chǔ) 4. 電路模擬技術(shù)及硬件 5 單片機(jī)基礎(chǔ) 課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標(biāo)分析）： 1. 了解數(shù)字式電容測試儀的設(shè)計(jì)思路及方法 2. 熟悉測量儀器的使用 3. 掌握信號處理的方法 4. 掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5. 綜合運(yùn)用數(shù)字電路，模擬電路和單片機(jī)技術(shù)的綜合技術(shù) 6. 研究數(shù)字式電容測試儀的應(yīng)用 7. 掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）： 周 次設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及要求 第 1-3 周檢索、收集資料 第 4-5 周整理資料，確定設(shè)計(jì)方案 第 6-7 周完成電路圖、流程的設(shè)計(jì) 第 8-12 周電子元器件的選取，并完成元器件的連接 第 13 周進(jìn)行測試、修改 第 14-15 周完成論文文字撰寫部分 第 16 周修改并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，打印相關(guān)圖表，準(zhǔn)備參加答辯 學(xué)生簽名： 日期： 指導(dǎo)教師： 日期： 教研室主任： 日期： 簡易數(shù)字式電容測試儀 摘 要 由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度 tw 與電容 c 成正比，把電容 c 轉(zhuǎn)換成脈沖寬度為 tw 的 矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計(jì)數(shù)器計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的個數(shù)，并送鎖存 譯碼顯示系統(tǒng)就可測得電容的數(shù)值。時鐘脈沖可由 555 構(gòu)成的多諧振蕩器提供。 如果時鐘脈沖的各參數(shù)合適，數(shù)碼管顯示的數(shù)字 n 便是待測電容 cx的值。 關(guān)鍵字:電容測試儀,閘門信號,標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖,多諧振蕩器,單穩(wěn)態(tài)振蕩器, 555, 74160, 計(jì)數(shù)器 simple digital capacitance tester ii abstract due to the pulse width of monostable trigger tw is proportional to the capacitance c, the capacitance c is converted into pulse width for tw rectangular pulse, and then use it as a gate signal control counter meter standard frequency pulse number, and send latch - decoding - display system can be measured, the value of capacitance. clock pulse multivibrator composed of 555 available. if the parameters of the clock pulse, the digital tube display digital is to measure the value of the capacitor cx n. key words: standard capacitance tester, gate signal ,frequency pulse multivibrator 555 ,74160, monostable oscillator counter 目目 錄錄 摘要 i abstract1 1 專科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書）各部分的裝訂順序1 1.1 系統(tǒng)概述2 1.2 總體方案的選擇及可行性分析 3 1.3 方案論證 3 2 單元電路設(shè)計(jì)分析 4 2.1 555 定時器 4 2.2 用 555 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5 2.3 用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器6 2.4 占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路 7 2.5 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74ls1608 2.6 位集成寄存器 74ls1759 2.7 led 數(shù)碼管10 3 結(jié)束語 11 3.1 總結(jié)11 3.2 收獲與體會11 4致謝 12 5參考文獻(xiàn) 13 6附錄 14 6.1 附錄一元器件表 14 數(shù)字式電容測試儀1 1 系統(tǒng)概述 1.1 總體方案的選擇及可行性分析 數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的值，從而判斷 電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標(biāo)設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可分為倆部分：一 部分是 led 顯示，另一部分就是要將 cx值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 能滿足上述設(shè)計(jì)功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面四種參考方案： 方案一 把電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行顯示。 可由 555 集成定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出 電壓的脈寬為：tw=rc31.1rc。從式中可以看出，當(dāng) r 固定時，改變電容 c 則 輸出脈寬 tw 跟著改變，由 tw 的寬度就可以求出電容的大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸 出電壓 vo 取平均值，由于電容量的不同，tw 的寬度也不同，則 vo 的平均值也不同， 由 vo 的平均值大小可以得到電容 c 的大小。如果把平均值送到 ad 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯 示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但是我們對 ad 轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分， 設(shè)計(jì)有一些困難。 方案二 用阻抗法測 r、l、c 有兩種實(shí)現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測元件電壓；永恒壓源 供電，然后測元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測 量范圍很窄。 方案三： 像測量 r 一樣，測量電容 c 的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖 1 所示。只是電容 c 要用交流電橋測量。電橋的平衡條件是： z1*zn*expj（1+n） =z2*zx*expj（2+x） 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)說明書)2 圖（圖（1 1） 通過調(diào)節(jié)阻抗 z1、z2使電橋平衡，這時電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知 的電路參數(shù)就可求出被測電容。用這種方法測量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動，電橋 的平衡也難以用簡單電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動測量。 方案四： 應(yīng)用基本思想：把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。 先把電容 c 轉(zhuǎn)換成寬度為 tw 的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，技 術(shù)后再運(yùn)算求出 c 的值，并送出顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬 tw 與電容 c 成正比，可利用數(shù)字頻率計(jì)的知識，把此脈沖作閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈 沖相“與” ，得到計(jì)數(shù)脈沖，該計(jì)數(shù)脈沖送至計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可得 到電容量的數(shù)據(jù)。其實(shí)，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，頻率 f 是數(shù)字電路 很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也 避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。因此本設(shè)計(jì)我們采用此方案。 1.3 方案論證 1.3.1 設(shè)計(jì)思路 把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容 c 轉(zhuǎn)換成 寬 度為 tw 的矩形脈沖， 數(shù)字式電容測試儀3 1.3.2 設(shè)計(jì)的總體框圖 該方案的總體方框圖如圖 2 所示： 圖（2）總體方框圖 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)說明書)4 2 單元電路設(shè)計(jì)分析 2.1 555 定時器 555 電路符號如圖 3 所示，如圖 4 為 555 等效功能框圖中包含兩個 coms 電壓 比較器 c1和 c2，一個 rs 觸發(fā)器，一個反相器，一個 p 溝道 mos 場效應(yīng)管構(gòu)成的放電 開關(guān) sw，三個組織相等的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩沖級。三個電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò) 為上比較器 c1和下比較器 c2，它們分別提供 2vcc3 和 vcc3 的偏置電壓。 圖（圖（3 3）555555 等效功能框圖等效功能框圖 84 3 6 2 1 5 uo 555 ui2 ui6 uccrd 7 數(shù)字式電容測試儀5 圖（圖（4 4） 2.2 555 定時器的工作原理是： 當(dāng)輸入電壓 ui62vcc3，ui2vcc3 時，電壓比較器 c1反相輸入端的輸入電壓 小于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器 c1的反相輸入端輸入一個負(fù)極性的信號，電壓比 較器 c1的輸出電壓為正極性的信號，即高電平信號“1”；電壓比較器 c2同相輸入端 的輸入電壓小于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器 c2的同相輸入端輸入一個負(fù)極性的信 號，電壓比較器 c2的輸出電壓為負(fù)極性信號，即低電平信號“0”；rs 觸發(fā)器被置位， 輸出電壓 u0等于 1。 555 定時器輸出與輸入的關(guān)系也可用功能表來描述，如表 1 所示 rdui6ui2u0 t 的工作狀 態(tài) 00 導(dǎo)通 1 2vcc3vcc3 1 截止 1 2vcc3vcc3 不變 不變 1 2vcc3vcc3 0 導(dǎo)通 （表（表 1 1） 3 4 8 8 5 6 + + & & & 1 c1 c2 r q g r s 2 7 1 t 555定定時時器器電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖 ucc 5k 5k 5k ui2 ui6 uic rd uo 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)說明書)6 由上表可知： 2.2.1 當(dāng)輸入電壓 ui62vcc3 時，ui2從 vcc3 變化到 vcc3 時，電壓比 較器 c1反相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，電壓比較器 c1的輸出電壓為高電平信號 “1”， rs 觸發(fā)器處在保持的狀態(tài)，保持 ui62vcc3，ui2vcc3 時的輸出狀態(tài)， 輸出電壓 u0等于 1。 2.2.2 當(dāng)輸入電壓 ui2vcc3 時，ui6從 2vcc3 變化到 2vcc3 時，電壓比 較器 c2同相輸入端的輸入電壓大于參考電壓，電壓比較器 c2的輸出電壓為高電平信號 “1”， rs 觸發(fā)器處在保持的狀態(tài)，保持 ui62vcc3，ui2vcc3 時的輸出狀態(tài)， 輸出電壓 u0等于 0。 2.2.3 當(dāng)輸入電壓 ui62vcc3，ui2vcc3 時，電壓比較器 c1反相輸入端的 輸入電壓大于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器 c1的反相輸入端輸入一個正極性的信號， 電壓比較器 c1的輸出電壓為負(fù)極性的信號，即低電平信號“0”， rs 觸發(fā)器被復(fù)位， 輸出電壓 u0等于 0。 2.3 用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及其工作波形如圖 6 所示，其工作原理如下： 圖圖 6 由由 555 構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成的多諧振蕩器 2 6 vccrd o 555 3 vi2 i1 v 84 (a) (b) v 7 r r vcc 1 2 c 15 0.01f c1 vc p 2 1 c 3 v vcc v cc 3 t vo t o o ttt cc v 012 tt t 12 0 數(shù)字式電容測試儀7 當(dāng)接通電源 vcc后，電容 c 上的初始電壓為 0v，比較器 c1和 c2輸出為 1 和 0，使 uo=1，放電管 t 截止，電源通過 r1、r2向 c 充電。uc上升至 2vcc3 時，rs 觸發(fā)器被 復(fù)位，使 uo=0，t 導(dǎo)通，電容 c 通過 r2到地放電，uc開始下降，當(dāng) uc降到 vcc3 時， 輸出 uo又翻回到 1 狀態(tài)，放電管 t 截止，電容 c 又開始充電。如此周而復(fù)始，就可在 3 腳輸出矩形波信號。 由圖 6（b）所示，uc將在 vcc3 和 2vcc3 之間變化，因而可以求得電容 c 上的 充電時間 t1和放電時間 t2 ： t1=（r1+r2）c20.7（r1+r2）c t2=r2c20.7r2c 所以輸出波形的周期為 t=t1+t2=（r1+2r2）c20.7（r1+2r2）c 振蕩頻率 f=1t1.44（r1+2r2）c 占空比 q= （r1+r2）（r1+2r2）50 如果 r1r2，則 q1，uc近似為鋸齒波。 2.4 占空比可調(diào)的多諧振蕩器電路 在圖 7 所示電路中，由于電容c的充電時間常數(shù)1=（r1+r2）c，放電時間常數(shù) 2=r2c，所以t1總是大于t2，vo的波形不僅不可能對稱，而且占空比q不易調(diào)節(jié)。利 用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦裕央娙輈充電和放電回路隔離開來，再加上一個電 位器，便可構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，如圖 7 所示。 由于二極管的引導(dǎo)作用，電容c的充電時間常數(shù)1=r1c，放電時間常數(shù)2=r2c。通 （圖（圖 7） f vi1 8 cc 3 1 v 555 0.01 5 c r o d 4 2 7 v v i2 6 v cc c1 vc d d1 2 1 r 2r 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)說明書)8 74ls160 et ep cpcp d0d1d2d3 q0 q1 q2 q3 co ld cr 過 與上面相同的分析計(jì)算過程可得：t1=0.7r1c t2=0.7r2c 占空比為： 21 1 21 1 21 11 7 . 07 . 0 7 . 0 rr r crcr cr tt t t t q 只要改變電位器滑動端的位置，就可以方便地調(diào)節(jié)占空比q，當(dāng)r1=r2時， q=0.5，vo就成為對稱的矩形波 2.5 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74ls160 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74ls160 如圖所示： 圖（圖（8 8） 74ls160 管腳圖 74ls160 是集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計(jì)數(shù)和保持四 種功能有進(jìn)位信號輸出端，可串接計(jì)數(shù)使用。 數(shù)字式電容測試儀9 74ls160 的功能表如表 2 所示： 表二. 74ls160 的功能表 將 74ls160 構(gòu)成十進(jìn)制以下計(jì)數(shù)器可采用以下兩種反饋方式： 2.5.1 反饋清零法 反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個給計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號，使計(jì)數(shù)器各輸出端為 零（清零）。反饋電路是組合邏輯電路，計(jì)數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計(jì)數(shù) 器一定的輸出狀態(tài)下即時產(chǎn)生復(fù)位信號，使數(shù)電路同步或異步地復(fù)位。 2.5.2 反饋置數(shù)法 反饋置數(shù)法是將反饋邏輯電路產(chǎn)生的信號送到計(jì)數(shù)電路的置位端，在滿足條件時， 計(jì)數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進(jìn)制碼。 2.6 位集成寄存器 74ls175 圖 9 所示是由 d 觸發(fā)器組成的 4 位集成寄存器 74ls175 的邏輯電路圖。其中，rd 是異步清零控制端。d0d3 是并行數(shù)據(jù)輸入端，cp 為時鐘脈沖端，q0q3 是并行數(shù)據(jù) 輸出端。 epetcp 功能 0 清零 10 置數(shù) 1111 計(jì)數(shù) 110 保持 110 保持 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)說明書)10 圖（圖（9 9）位集成寄存器）位集成寄存器 74ls17574ls175 該電路的數(shù)碼接收過程為：將需要存儲的四位二進(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)據(jù)輸入端，d0 d3，在 cp 端送一個時鐘脈沖，脈沖上升沿作用后，四位數(shù)碼并行的出現(xiàn)在四個觸發(fā)器 端。 74ls175 的功能如表 3 所示 表三表三. . 74ls175 的功能表 1 1d4d cp rd 1d c1 r q q 1q1q 1d c1 r q q 1d c1 r q q 1d c1 r q q 2q2q3q3q4q4q 1 2d3d cprd1d 2d 3d 4d q1 q2 q3 q4 x0x x x x 0 0 0 0 11d 2d 3d 4d 11x x x x 01x x x x 1x x x x 保持 數(shù)字式電容測試儀11 4 結(jié)束語 4.1 總結(jié) 本設(shè)計(jì)完成題目所給的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)了一臺數(shù)字顯示的電容測試儀，滿足題目的 基本要求和一部分發(fā)揮要求。儀表有性能可靠、精度高、電路簡單的特點(diǎn)。但是這種 把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量也有不足之處，主要是由 于電路的影響，輸出的電容在某一個周期里誤差會很大。也可以通過加入延時清零電 路，設(shè)置更多的檔位來減小誤差，使其精度更高。總體來說，本設(shè)計(jì)是成功的。 4.2 收獲與體會 回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我感慨頗多。的確，從查閱資料到電路設(shè)計(jì)，從理論 學(xué)習(xí)到實(shí)踐總結(jié)，在整整兩個星期的日子里，可以說是苦多于甜，但是能學(xué)到好多東 西，不僅可以鞏固以前所學(xué)過的電子技術(shù)專業(yè)知識，而且學(xué)到了仿真軟件的基本操作。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我懂得了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要的，僅有理論的知識是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)到的專業(yè)知識與實(shí)踐結(jié)合起來，從實(shí)踐中得出結(jié)論，才能真正 的理解掌握理論知識，提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考能力。在設(shè)計(jì)的過程中難 免會遇到各種各樣的問題，但是我們迎難而上，通過查資料和請教老師努力研究、解 決問題；同時在分析測容原理與設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，如對以前學(xué)過的 專業(yè)知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，我們通過認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)知識可以 更好的完成課程設(shè)計(jì)。 對這次設(shè)計(jì)的電路，我最滿意的是量程控制所達(dá)到的高精度效果。為提高精度， 本儀表只顯示 1009999 之間的數(shù)，當(dāng)然具體的容值還要看量程檔位。如果要更加完 善設(shè)計(jì)，還是有很大的發(fā)展余地的，比如說可以加入延時清零電路，可以設(shè)置更多的 檔位等等。 我們組三人依據(jù)分工，高效率的查詢了大量資料，電路圖是我們依據(jù)原理自行設(shè) 計(jì)，然而結(jié)果卻與理論上有不少出處，隨著今后的學(xué)習(xí)我們也會繼續(xù)將之改進(jìn)。此次 課程設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步鞏固了我們是對