數(shù)字電容測量儀

1、數(shù)字電容測量儀數(shù)字電容測量儀一.實驗?zāi)康模?:掌握譯碼顯示的設(shè)計與應(yīng)用2：掌握數(shù)字電容測量儀的方法3：學習自動量程的設(shè)計方法4：學習使用555定時器及多諧振蕩器-：設(shè)計內(nèi)容及要求：1：被測電容范圍為lOOpF到luF2：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換為電壓量進行測量3：設(shè)計石英晶體振蕩器及分頻系統(tǒng)4：可限制的計數(shù)、鎖存、譯碼、顯示系統(tǒng).發(fā)揮局部舉例：1 ：測量電容范圍為luF到lOOOuF2：石英晶體振蕩器3：多諧振蕩器三：使用儀器及元器件：74LS041片,74LS904片,NE5552片,74LS002片,74LS3732片,74LS473片,8段共陽數(shù)碼管3個,電平開關(guān)1個,電阻假設(shè)干,電容假設(shè)干

2、.四：實驗原理1,總原理圖：本設(shè)計是基于555定時器,連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測量電容的.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容,即是被測量的電容.其脈沖輸入信號是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生.信號的頻率可以根據(jù)所選的電阻,電容的參數(shù)而調(diào)節(jié).這樣便可以定量確實定被測電容的容值范圍.由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容g值的不同而不同的,所以脈寬即是對應(yīng)的電容值,其精確度可以到達.最后是輸出電壓的數(shù)字化,將叱輸入到47譯碼器中譯成BCD碼,輸入到LED數(shù)碼管中顯示出來.利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等,可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄,即限制脈沖寬度Tx嚴格與Cx成正比.只要把此脈

3、沖與頻率固定不變的方波即時鐘脈沖相與,便可得到計數(shù)脈沖,把計數(shù)脈沖送給計數(shù)器計數(shù),然后再送給顯示器顯示.如果時鐘脈沖的頻率等參數(shù)適宜,數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字N便是Cx的大小.之所以選擇該方案是考慮到這個方案不僅設(shè)計比擬容易實現(xiàn),而且必要時還可以擴展量程,更重要的是該方案設(shè)計出來的數(shù)字測試儀測量的結(jié)果比擬精確.2 .單穩(wěn)態(tài)限制電路限制器的主要功能是根據(jù)被測電容Cx的容量大小形成與其成正比的限制脈沖寬度Tx.圖2所示為單穩(wěn)態(tài)限制電路的原理圖.該電路的工作原理如下：單穩(wěn)態(tài)限制電路原理圖當被測電容Cx接到電路中之后,只要按一下開關(guān)S,電源電壓Vcc經(jīng)微分電路.、R和反向器,送給555定時器的低電平觸發(fā)端

4、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?該高電平限制與門使時鐘脈沖信號通過,送入計數(shù)器計數(shù).暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=.然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài),其輸出端3變?yōu)榈碗娖?從而封鎖與門,停止計數(shù).可見,控制脈沖寬度Tx與RCx成正比.如果R固定不變,那么計數(shù)時鐘脈沖的個數(shù)將與Cx的容量值成正比,可以到達測量電容的要求.時鐘脈沖發(fā)生器這里選用由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)時鐘產(chǎn)生功能.電路原理圖及其輸出波形如圖3所示.但、其波形如下圖:引波器-XSC1/ILL時基標度：5ms/DivX軸位移格：o"逼迫A切度：200nV/Div丫軸位移裕：1通道8

5、刻度：5V/Div丫鈾位移格：0觸發(fā)邊沿：國四可叵水平："o""丫6添加B/AA/B逐圜1.都卻交流1sli直流.單燈正常I自動無振蕩波形的周期為:其中tp-O.7(7?3+7?4)C2,少2比0.7火4.2占空比為:由于時鐘周期rg0.7R+心是在忽略了555定時器6腳的輸入電流條件下得到的,而實際上6腳有10/F的電流流入.因此,為了減小該電流的影響,應(yīng)使流過的電流最小值大于10F.又因為要求Cx為要"尸時,Tx=2s,所以需要時鐘脈沖發(fā)生器在2s內(nèi)產(chǎn)生999脈沖.即時鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms,即:T=tp-tpi=2ms如果選擇占空比q二,即q二拳

6、二由此可求得:取C2=F,那么：A4比0.7C2R3;工-Ra>21521x100%=0%<20%.0.7C2521取標稱值：R3=,/?4=12K.最后還要根據(jù)所選電阻心、用的阻值,校算流過R3、R4的最小電流是否大于10uA.從圖可以看出,當C2上電壓1到達|丫時,流過R、亂的電流最小,為：2VCC-VCCImin=3%95uAR3+R4振蕩周期:4.計數(shù)和顯示電路由于計數(shù)器的計數(shù)范圍為14F999F,因此需要采用3個二十進制加法計數(shù)器.這里選用3片74LS47級聯(lián)起來構(gòu)成所需的計數(shù)器.74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器,74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中

7、的數(shù)字,通過它來進行解碼,可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的數(shù)字,從而簡化了程序,節(jié)約了單片機的IO開銷.譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進制代碼譯成對應(yīng)的輸出的高、低電平信號.常用的譯碼器電路有二進制譯碼器、二-十進制譯碼器和顯示譯碼器.譯碼為編碼的逆過程.它將編碼時賦予代碼的含義“譯過來.實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器.譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系.74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器,它在這里與數(shù)碼管配合使用,表列出了74LS47的真值表,表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系.地址鎖存器芯片74LS373741s373是常用的地址鎖存器芯片,它實質(zhì)是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器,在系統(tǒng)中為了擴展外部,通常需要一塊741s373芯片,鎖存端LE由高變低時,輸出端8位信息被鎖存,直到LE端再次有效.當三態(tài)門使能信號0E為低電平時,三態(tài)門導(dǎo)通,允許Q0、Q7輸出,0E為高電平時,輸出懸空.當用作地址鎖存器時,應(yīng)使0E為低電平,此時鎖存使能端C為高電平時,輸出Q0、Q7狀態(tài)與輸入端D1D7狀態(tài)相同；當C發(fā)生負的跳變時,輸入端D0、D7數(shù)據(jù)鎖入Q0Q7.6十進制計數(shù)器74LS90電路是由4個主從觸發(fā)器和用作除2計數(shù)器及計數(shù)周期長度為除5的3位2進制計數(shù)器所用的附加選通所組成.有選通的零復(fù)位和置9輸入.為了利用本計數(shù)器的最大計數(shù)長度十進制,可將B輸入同