數(shù)字電容測(cè)試儀

1、目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 課程設(shè)計(jì)的目的1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 設(shè)計(jì)方案與論證2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 方案的選擇與可行性分析2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 方案論證3 HYPERLINK l bookmark10 o Curre

2、nt Document 單元電路的設(shè)計(jì)與分析4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 555定時(shí)器組成的多諧振蕩器4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 555定時(shí)器搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多量程選擇部分6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路10 HYPERLINK l bookmark36 o Current Doc

3、ument 電路的安裝調(diào)試與仿真10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 電路的安裝調(diào)試10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 結(jié)論1.3 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 總結(jié)13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 收獲與體會(huì)14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 參考文獻(xiàn)1.6 HYPERLINK l bookmark52 o Current D

4、ocument 附錄1：總體電路原理圖17 課程設(shè)計(jì)的目的（1）掌握簡(jiǎn)易數(shù)字式電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法；（2）熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理；（3）學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟；（4）進(jìn)一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應(yīng)用；（5）學(xué)習(xí)數(shù)字電路仿真、調(diào)試、測(cè)試、故障查找和排除的方法、技巧；（6）培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1、查閱相關(guān)資料；進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，得到原理框圖；2、要求：技術(shù)指標(biāo)（1）電容測(cè)量范圍：1000p10“F,輸出應(yīng)能直接顯示其值，誤差W5%，電源電壓選擇+

5、12V。（2）量程可切換，顯示值能夠標(biāo)定。（3）能完成指標(biāo)要求的電容量測(cè)試和誤差要求。3、選擇合適器件，進(jìn)行最終電路圖的仿真；進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)4、要求三位同學(xué)實(shí)現(xiàn)不同分工。設(shè)計(jì)方案與論證方案的選擇與可行性分析數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測(cè)電容的大小，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：一部分是數(shù)碼管顯示，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)出下面三種參考方案。方案一：用阻抗法測(cè)R、L、C有兩種實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測(cè)元件電壓；用恒壓源供電，然后測(cè)元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所

6、以它們適用的測(cè)量范圍很窄。方案二：應(yīng)用基本思想：把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測(cè)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)，計(jì)數(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，由tw的寬度就可求出電容的大小?？衫脭?shù)字頻率計(jì)的知識(shí)，頻率的測(cè)量可用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算參數(shù)使待測(cè)電容與計(jì)數(shù)值滿足某一函數(shù)關(guān)系，通過這個(gè)函數(shù)關(guān)系可表示出待測(cè)電容的大小。而測(cè)脈沖寬度法事實(shí)上與測(cè)頻率法相同，脈沖作為門控信號(hào)，與時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的固定頻率相“與”，待測(cè)電容容量越大，脈沖寬度越寬，則相“與”后產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖越多，

7、再按照測(cè)頻率法的方法就可以測(cè)量出待測(cè)電容的容量。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。綜上所述，本課程設(shè)計(jì)選擇方案三來實(shí)現(xiàn)測(cè)量電容的容值。方案論證設(shè)計(jì)思路:本設(shè)計(jì)是基于555定時(shí)器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測(cè)量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測(cè)量的電容Cx。其脈沖輸入信號(hào)是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號(hào)的頻率可以根據(jù)所選的電阻，電容的參數(shù)而調(diào)節(jié)。這樣便可以定量的確定被測(cè)電容的容值范圍。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容Cx值的不同而不同的，所以

8、脈寬即是對(duì)應(yīng)的電容值，其精確度可以達(dá)到0.1%。然后把此脈沖作閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)過譯碼器，然后再送給顯示器顯示，這個(gè)時(shí)侯，如果標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的頻率等參數(shù)調(diào)得合適的話，那么數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是Cx的大小。設(shè)計(jì)的總體框圖如圖3-1所示。多諧振蕩器計(jì)數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器i自動(dòng)調(diào)零定時(shí)電路徴分電路外接電容圖3-1設(shè)計(jì)的總體框圖單元電路的設(shè)計(jì)與分析555定時(shí)器組成的多諧振蕩器由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖4-1所示，它既為下一級(jí)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)提供信號(hào)脈沖。vcc12VR10.01肯VCCRSTOUTDIST

9、HRTRICONGNDJ8U1iLM555CM圖4-1多諧振蕩器電路其工作原理如下：多諧振蕩器只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，1電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C2上的電壓UC略低于-V,Uo輸出高電3cc平，電源VCC通過Rl、R2給電容C2充電。隨著充電的進(jìn)行UC逐漸增-2高，但只要-VU-V_n對(duì)電容C進(jìn)行充電，當(dāng)電容C上的電壓c3CC時(shí)，輸出uo=0。與此同時(shí)電容C迅速放完電，代Q0，叮0不變。2觸發(fā)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)Ui由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，此時(shí)Uc0，輸出Uo由低電平跳躍到高電平。此時(shí)，電源VCC經(jīng)R3對(duì)C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間內(nèi)輸入電壓ui回到高電平。3自動(dòng)返回穩(wěn)定狀態(tài)u2V隨著

10、C的充電，電容C上的電壓Uc逐漸增大。當(dāng)Uc上升到c3CC時(shí)，輸出Uo由高電平跳躍到低電平。與此同時(shí)，C迅速放完電，Uc0。電路返回穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度：為暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間(及占空比)，0-V它實(shí)際上為電容C上的電壓由uc0V充到3CC所需的時(shí)間，可用下式估算:t二RCln3u1.1RC(4-4)w式中R和C為外接電阻和電容。多量程選擇電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的外接電阻R設(shè)計(jì)了三種，分別對(duì)應(yīng)不同的分辨率和量程，這是為了增加測(cè)量的精確程度，降低相對(duì)誤差，量程10-lOOuF只需閉合開關(guān)A，讀出晶體管讀數(shù)，然后乘以分辨率，即可得到對(duì)應(yīng)待測(cè)電容的大小，其他兩個(gè)量程也是相同的道理，必須相應(yīng)開關(guān)

11、，讀出讀數(shù)然后乘以分辨率，加上單位uF/原理分析當(dāng)被測(cè)電容Cx接到電路中之后，電源電壓Vcc經(jīng)微分電路C1、R1和反向器，送給555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端2一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)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(shí)鐘脈沖信號(hào)通過，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=l.lRCx.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(jì)數(shù)。可見，控制脈沖寬度Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)將與Cx的容量值成正比，可以達(dá)到測(cè)量電容的要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和Tx=l.lRCx可求得R=1.8K.微分電路可取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,取R1=1K,R2

12、=10K,c1=lF。74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器主要用來對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)并送入顯示電路顯示。計(jì)數(shù)器選用74LS160進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便。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(hào)輸出端,可串接計(jì)數(shù)使用。由三個(gè)74LS160構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路如圖4-4所示：圖4-4計(jì)數(shù)電路譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字，由三個(gè)74LS47譯碼器和三個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成的顯示電路如圖4-5所示：圖4-5譯碼顯示電路圖電路的安

13、裝調(diào)試與仿真電路的安裝調(diào)試查閱資料，了解數(shù)字電容測(cè)試儀的基本工作原理和工作原理電路圖，把整體電路圖分解成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的模塊。通過查閱集成塊的參考書，了解各個(gè)模塊中的集成塊的構(gòu)造就作用，對(duì)集成塊的使用方法已經(jīng)集成塊的輸入輸出端以及集成塊的進(jìn)制有一定得了解。通過網(wǎng)絡(luò)，下載仿真軟件，通過網(wǎng)絡(luò)教程對(duì)軟件的使用方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，初步學(xué)會(huì)通過該軟件設(shè)計(jì)電路圖。根據(jù)整體電路的要求，設(shè)計(jì)出各個(gè)部分模塊的電路，通過示波器的檢查，確保各個(gè)模塊正常工作。把設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊組裝成整體的電路，并且根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試，知道出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果為止。電路的仿真仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)一：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)電容值為4

14、6卩F的電容，啟動(dòng)開關(guān)A,結(jié)果顯示如圖5-1:U1Avri:c:wTKT工THT二三|j12kOLH2AvfriO.IDOufAjH-1；Sp.fri_1QufA骨廉機(jī)_1izzf/18.83knKey=/S3A分潯半OJJM11L1883kQKfiV=A11tnR41klR51OkQU11Ao74LS08DMLSQWDIFIM74LS34DLM555CMLM55CMlJAJr74LStC0D1.LJ13A74LSU40AWCeGUhavftKMPJI?t:wr11：*U-UftAD74LS160D74LS160DC3C4O.OfpF-LOAD-hubC2豐詢命:U474LS47D!:xtuI

15、ar:emi*ip3l=l11883QKwA昭柑110ufA一一j18.83knKey=AS3A分請(qǐng)*0-001辛IZZI-L18&3kQKe=AVCCOl2VXU13A74LS04DVCCl2V占o(jì)oooor741_S4?D7JLS1S0D74LS160D74LS16QDU11Ao74LS08DLH/R41klLM555CMJR1fi.Gkf12klC2豐C4=o.ofpr:MFD圖5-2仿真測(cè)試圖2讀數(shù)：21*0.1=2.1卩F21一2誤差計(jì)算：丄xlOO%二5%，符合誤差在5%之內(nèi)的要求。2仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)三：當(dāng)電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,在待測(cè)電容處連接一個(gè)假設(shè)電容值0.025pF的電容，啟動(dòng)

16、開關(guān)C,結(jié)果顯示如圖5-3所示:741504D圖5-3仿真測(cè)試圖3分湧MCZJ1883Q分濟(jì)gtZZ318.83kn分i#to_ooiCZI1883kQUijooonoooU315：!8.$470741S47O.MfiHO-IOOufA讀數(shù)：26*0.001=0.026rF誤差計(jì)算：雹02笄X1%二4%，符合誤差在5%之內(nèi)的要求。結(jié)論6.1總結(jié)通過上面兩個(gè)數(shù)值的測(cè)量，可以得出此數(shù)字電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是正確的，可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量出一個(gè)待測(cè)電容的電容值，并且能夠?qū)⒄`差控制在很小的范圍內(nèi)。只要接入被測(cè)電容，打開對(duì)應(yīng)的開關(guān)以后，經(jīng)過簡(jiǎn)單的換算就可以得到電容的大小值，方便在以后的實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容的使用。收獲與

17、體會(huì)通過兩周的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)數(shù)字電路知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，包括對(duì)一些元器件的功能和使用法有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，以前的學(xué)習(xí)主要在于原理方面，對(duì)器件單一的認(rèn)知，缺少模塊化的思想，而這次課程設(shè)計(jì)正好彌補(bǔ)了以前學(xué)習(xí)的不足，讓我們更加注重于知識(shí)的運(yùn)用，在實(shí)踐中加深了對(duì)知識(shí)的理解。在這次課程設(shè)計(jì)中，令我感觸最深的就是幾位同學(xué)團(tuán)結(jié)合作，一起把所學(xué)的理論知識(shí)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。在實(shí)踐中獲取了不少知識(shí)，但更重要的時(shí)發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中思考不足動(dòng)手不足的問題，在今后的學(xué)習(xí)中，我一定會(huì)針對(duì)這些問題改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。從抽到課程設(shè)計(jì)的任務(wù)到在軟件中實(shí)現(xiàn)其功能，再到報(bào)告的撰寫，這兩周的時(shí)間對(duì)我們來說是受益匪淺

18、的。這是一次理論與實(shí)際相結(jié)合的過程，在這一過程中，我們終于能將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到生活實(shí)際中去。以前學(xué)習(xí)總感覺知識(shí)與實(shí)際脫離的太遠(yuǎn)，學(xué)得再好，過不了多長(zhǎng)時(shí)間就全忘了，到頭來學(xué)了也不知道有什么用，學(xué)了也沒用到實(shí)處去。而這次課程設(shè)計(jì)，雖然我們只是在軟件上實(shí)現(xiàn)其功能，而沒有做出實(shí)物，但這也讓我們充分體會(huì)到了知識(shí)的魅力，實(shí)踐的樂趣。在設(shè)計(jì)過程中，多諧振蕩器中電容電阻值的選擇，量程的設(shè)計(jì)及單位顯示電路的設(shè)計(jì)是值得注意的。74LS160對(duì)計(jì)數(shù)脈沖有一定的要求，同時(shí)多諧振蕩器的頻率也會(huì)影響測(cè)量精度。所以多諧振蕩器的電容電阻值的選擇有一定的講究。在設(shè)計(jì)量程時(shí)，我是通過改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來設(shè)計(jì)的。當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中并非只遇到這幾個(gè)問題。我們可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)問題而在電腦前調(diào)試好幾個(gè)小時(shí)。但這發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程就是我們學(xué)習(xí)的過程。只有這樣，我們才能體會(huì)到成功后的喜悅，也只有這樣，我們才能真正學(xué)到知識(shí)，開拓思維，提高動(dòng)手能力。在我看來拼裝出這個(gè)電路是其次，因?yàn)樵诰W(wǎng)上，資料書上很有可能就有這個(gè)電路。重要的是培養(yǎng)自己的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，解決問題的能力。在這兩周期間，同學(xué)們相互討論，相互交流，相互學(xué)習(xí)，