電子技術應用實習報告

1、 數字式電容測量儀的設計目 錄1 實習目的、內容和要求.12 設計原理及軟件簡介3 2.1 設計原理.3 2.2 Multisim軟件簡介.33 設計步驟和過程4 3.1多諧振蕩器電路.4 3.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路.5 3.3計數和顯示電路.7 3.4 總電路原理圖.84 設計的仿真和運行結果9 4.1 電路的調試.9 4.2 結果及分析.105 結論.11 5.1實習過程中遇到的困難及解決辦法.11 5.2結論 .11參考文獻.12附錄.13附錄A 數字式電容測量儀電路圖 .13附錄B 數字式電容測量儀元器件清單.141 實習目的、內容和要求 1.1 實習目的本次實習的目的在于掌握數字電容測試

2、儀的設計、組裝與調試方法。在日常的電路工程或者是電路試驗中，電容是一個最常見的元器件，實際應用中，對電容的電容值的準確度要求也是很高的。但是由于電容自身特性決定了電容和電阻的測量是不一樣的，電容的測量相對于電阻測量復雜，精確度不高。因此我們旨在設計一種可以測量電容大小的電路，并且采用七段數碼管直接在屏幕上顯示電容的大小，方便在以后的實驗中對電容的使用。1.2 實習內容1.2.1設計說明：框圖中的外接電容是定時電路中的一部分。當外接電容的容量不同時，與定時電路所對應的時間也有所不同，即C=f(t)，而時間與脈沖數目成正比，脈沖數目可以通過計數譯碼獲得。定時電路多諧振蕩器計數器譯碼器數碼顯示器微分

3、電路自動調零外接電容圖1 電容測量儀原理框圖1.2.2設計要求：1.2.2.1基本部分(1) 被測電容的容量在0.01F至100F范圍內(2) 設計兩個的測量量程(3) 用3為數碼管顯示測量結果，測量誤差小于20%1.2.2.2 發(fā)揮部分(1) 至少設計兩個以上的測量量程，使被測電容的容量擴大到100PF至100F范圍內。(2) 測量誤差小于10%。1.3實習要求（1） 畫出總體設計框圖，以說明數字式電容測量儀由哪些相對獨立的功能模塊組成，標出各個模塊之間互相聯系，時鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。（2） 設計各個功能模塊的電路圖，加上原理說明。（3） 選擇合適的元器

4、件，在仿真軟件上連接驗證、仿真、調試各個功能模塊的電路。在連接驗證時設計、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的仿真、調試和故障排除。（4） 在驗證各個功能模塊基礎上，對整個電路的元器件和連接，進行合理布局，進行整個數字鐘電路的連接驗證、仿真、調試。（5） 自行接線驗證、仿真、調試，并能檢查和發(fā)現問題，根據原理、現象和仿真結果分析問題所在，加以解決。學生要解決的問題包括元器件選擇、連接和整體設計引起的問題。2 設計原理及軟件簡介2.1 設計原理定時電路多諧振蕩器計數器譯碼器數碼顯示器微分電路自動調零外接電容圖2電容測量儀原理圖圖框圖多諧振蕩器產生矩形

5、脈沖波與定時電報和微分電路產生的信號相與后送入計數器，然后通過譯碼器連接數碼顯示器，對電容大小進行顯示。2.2 Multisim軟件簡介Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器

6、技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。3 設計步驟和過程3.1多諧振蕩器電路由555定時器構成的多諧振蕩器來產生標準脈沖，電路和輸出脈沖如圖圖3 多諧振蕩器電路圖圖4 輸出信號波形在接通電源后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動的產生矩形脈沖。此電路中用來產生時鐘脈沖信號（如圖所示）。周而復始，形成振蕩。其振蕩周期與電容充放電時間有關，充電時間為：T1=（R4+R5）Cln2,，放電時間為T2=R5Cln2,則時鐘信號一個周期為T=T1+T2=(R4+2R5)Cln2。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u=1電容放

7、電時，u=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。2端作為觸發(fā)信號的輸入端，由U1產生的時鐘脈沖信號來提供。圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖圖6 輸出信號波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)。當被測電容Cx接到電路中之后，只要按一下開關S，電源電壓Vcc 經微分電路C1、R1和反向器，送給555定時器的低電平觸發(fā)端2一個負脈沖信號使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時鐘脈沖信號通過，送入計

8、數器計數暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1RCx然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)。輸出脈沖的寬度tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻R和電容C的大小。即：tw=R2*C2*Ln2=1.1R2*C2。3.3計數和顯示電路圖7 計數和顯示模塊電路計數電路采用74LS160作為計數器。74LS160是集成同步十進制計數器，該計數器具有同步預置、異步清零、計數和保持四種功能有進位信號輸出端，可串接計數使用。三位的顯示控制模塊由三個芯片級聯構成。顯示部分電路中顯示器用的是DCD-HEX-BLUE顯示器。3.4 總電路圖圖8 總電路圖總電路圖包含多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，計數器，譯碼器等模塊，能

9、夠成功仿真電容測量儀的功能。4 仿真和運行結果4.1 電路的調試電路連接完成后打開仿真開關，首先觀察顯示模塊是否能夠顯示數值，若沒有示數顯示，則使用Multisim 13.0中的示波器逐個檢查各個模塊的信號輸出波形，找出出現問題的模塊根據設計原理判斷是連接故障還是原理故障，并加以排除。圖9 示波器檢測輸出波形若顯示器上顯示數值，觀察是否符合設計要求，若不符合設計要求，觀察是否是電容測量量程選擇出現錯誤，改變電容測量量程選擇開關重新進行仿真，觀察結果。若量程開關選擇正確，則可適當改變電路中原件的參數值，進行不斷的調試，直到達到預期的設計目標要求。圖10 量程選擇開關4.2 結果及分析 4.2.1

10、小量程仿真結果圖11 小量程測量 電容大小在0.01uF1uF時單刀雙擲開關置于180K，如圖所示電容大小為0.13uF，結果顯示為0.14uF，誤差<5%，符合設計要求。 4.2.2 大量程仿真結果圖12 大量程測量電容大小在1uF100 uF時單刀雙擲開關置于1.8K，如圖所示電容大小為73uF，結果顯示為72uF，誤差<5%，符合設計要求5 結論.5.1 設計過程中遇到的困難及解決辦法在電路調試過程中發(fā)現多諧振蕩器沒有產生輸出信號，示波器的輸出信號一直顯示低電平。將多諧振蕩器電路單獨建立一個設計圖紙，逐個原件去查找出現故障原因，發(fā)現故障是由于有一根導線沒有連接電源所致，及時對

11、電路進行修改，完成調試過程。把所有模塊全部連接起來以后，運行該數字電容測試儀時，顯示屏上一開始一直顯示的是111，每次測試的時候都是從111這個數值的基礎上開始累加。后來經過我們對電路的研究，發(fā)現沒有設計調零電路，所以我們在電路圖上設計了一個自動調零電路，這樣，從111開始計數的問題就解決了。 5.2結論在兩個星期的電子技術應用實習之后，我對電子產品設計的一般方法和步驟有了深入的了解，我不僅感到了自己的實際動手能力有所提高，更重要的是通過對設計過程的了解，進一步激發(fā)了我對專業(yè)知識的興趣，并為以后能夠結合實際存在的問題在專業(yè)領域內進行更深入的學習打下了基礎。這次數字電容測試儀的設計使我把學到的由

12、555定時器組成的多諧振蕩器和單穩(wěn)觸發(fā)器，74LS160十進制加法器以及LED數碼管都運用到了電路中，從而加深拉了我對這些知識的理解和運用，使我受益匪淺。通過這次實習，使我認識到了自己要學習的還有很多的?？傊芨兄x學校給我們這次實習的機會。課程實習不但鍛煉了我們的動手能力還讓我們對自己所學的專業(yè)知識有了更深的理解。在此期間，在老師的身上我也學得到很多實用的知識，在此表示對我們指導老師的感謝。還有我們同組的幫助過我的同學也表示感謝。參考文獻1. 模擬電子技術基礎 童詩白主編 高教出版社 2. 數字電子技術基礎 閻石主編 高教出版社 3. 電子技術基礎實驗電子電路實驗.設計.仿真陳大欽主編華科出版社 4. 電子技術基礎實驗與課程設計 高吉祥主編 國防科技大學出版社 5. 電子測試技術 金唯香、謝玉梅主編 湖南大學出版社 附錄A 數字式電容測量儀電路圖附錄B 數字式電容測量儀元器件清單