简易数字式电容测试仪.doc

长 安 大 学电子技术课程设计课题名称 简易数字式电容测试仪 班 级 32040901姓 名 章飞指导教师 日 期 2011年6月21日前言 电容元件广泛应用于各种电子产品和电路中，具有十分广泛的应用。电容的容值参数是设计中应考虑的重要参数。常见的电容分为有极电容和无极电容。电容的容值与电容的直对面积、形状、电解质等有关系。目前的电容体积小，用常规方法难以精确测出。为解决该问题。我们设计了简易数字式电容测试仪。该设计将电容的测量转化为频带宽度的测量，具有便携、易操作、高精度等特点。限于作者水平，本文难免出现缺陷和错误，我们热忱欢迎广大读者朋友提出宝贵意见和建议。 作者 2011年6月21日目 录 摘要1 设计要求1 第一章系统概述21、总体方案的选择及可行性分析 22、方案论证 3 第二章 单元电路设计分析 41、555定时器 42、用555定时器构成的单稳态触发器53、用555定时器构成的多谐振荡器64、占空比可调的多谐振荡器电路 75、同步十进制计数器74LS16086、4位集成寄存器74LS17587、LED数码管9 第三章电路总体描述及功能实现 101、总电路图102、参数选择及仪表调试113、产品使用说明124、安装与调试12 第四章结束语 131、总结132、收获与体会13 参考文献 14 附录 14 附录一 元器件表14 附录二 鸣谢15 评语 16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，并送锁存译码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Cx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 计数器技术要求1. 测试电容容量范围为100PF100F；2. 应设计3个以上的测量量程；3. 用四位数码管显示测量结果4. 用红、绿色发光二极管表示单位系统综述第一章 系统概述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Cx值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，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=RC31.1RC。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tw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Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到AD转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对AD转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。方案二：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： Z1*Zn*expj（1+n） =Z2*Zx*expj（2+x）图（1）通过调节阻抗Z1、Z2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锁存译码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针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。2.方案论证设计思路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 第二章 单元电路设计分析1. 555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C1和C2，一个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，三个组织相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较器C1和下比较器C2，它们分别提供2Vcc3和Vcc3的偏置电压。图（3）555等效功能框图图（4）555定时器的工作原理是：当输入电压Ui62Vcc3，Ui2Vcc3时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器C2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C2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C2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U0等于1。555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RdUi6Ui2U0T的工作状态00导通12Vcc3Vcc31截止12Vcc3Vcc3不变 不变 12Vcc3Vcc30导通 （表1）由上表可知：（1）当输入电压 Ui62Vcc3时，Ui2从 Vcc3变化到 Vcc3时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C1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 Ui62Vcc3，Ui2Vcc3时的输出状态，输出电压U0等于1。（2）. 当输入电压 Ui2Vcc3时，Ui6从 2Vcc3变化到 2Vcc3时，电压比较器C2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器C2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 Ui62Vcc3，Ui2Vcc3时的输出状态，输出电压U0等于0。（3）. 当输入电压 Ui62Vcc3，Ui2Vcc3时，电压比较器C1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C1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C1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U0等于0。3. 用555定时器构成的多谐振荡器图6 由555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：当接通电源Vcc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1和C2输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。Uc上升至2Vcc3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Vcc3时，输出Uo又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。由图6（b）所示，Uc将在Vcc3和2Vcc3之间变化，因而可以求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2 ： T1=（R1+R2）C20.7（R1+R2）CT2=R2C20.7R2C所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C20.7（R1+2R2）C振荡频率 f=1T1.44（R1+2R2）C占空比 q= （R1+R2）（R1+2R2）50如果R1R2，则q1，Uc近似为锯齿波。4.占空比可调的多谐振荡器电路（图7）在图7所示电路中，由于电容C的充电时间常数1=（R1+R2）C，放电时间常数2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C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C的充电时间常数1=R1C，放电时间常数2=R2C。通过与上面相同的分析计算过程可得：T1=0.7R1C T2=0.7R2C占空比为：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R1=R2时，q=0.5，vo就成为对称的矩形波。5.同步十进制计数器74LS160同步十进制计数器74LS160如图所示：74LS160ETEPCPD0D1D2D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CO 图（8）74LS160管脚图74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。74LS160的功能表如表2所示：EPETCP功能0清零10置数1111计数110保持110保持 表二. 74LS160的功能表将74LS160构成十进制以下计数器可采用以下两种反馈方式：（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 （表2）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）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，在滿足条件时，计数电路输出状态为给定的二进制码。6.4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74LS175的逻辑电路图。其中，Rd是异步清零控制端。D0D3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q0Q3是并行数据输出端。图（9）位集成寄存器74LS175该电路的数码接收过程为：将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端，D0D3，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端。74LS175的功能如表3所示表三. 74LS175的功能表第四章 结束语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。 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一步巩固了我们是对电子技术知识的学习也锻炼了我们的团队合作能力。参考文献1.林涛. 数字电子技术.清华大学出版社.20062.高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.20023.陈明义.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社.20024.崔瑞雪电子技术动手实践北京航空航天大学出版社2007附录附录一 元器件明细表序号元件数量序号元件数量1计数器74160412绿灯12555定时器213报警扬声器13寄存器74LS175414电容0.01uF34数码管LED415待测电容插座15反相器7405216电阻2K16或门OR8117电阻5K17与门7408118电位器200M18直流电压源12V219电位器2M19方波电压源5V120电位器20K110蓝灯121电位器6K311红灯122单刀单掷开关10附录二 鸣谢本次课程设计简易数字式电容测试仪的完成，要特别感谢邓秋霞老师和肖梅老师的悉心指导，并为我们指点迷津，帮助我们开拓研究思路，热忱鼓励，同时也教会了我们许多关于以后的学习、工作和科研方面的知识。特别感谢与我同组的汪鑫同学和王志宇同学，在设计工作中我们积极配合、勇于创新。通过本次设计使我们把自身的理论转换为实践的能力得到了很大的提高，使我们走出了实践的盲区，为以后的课程设计打下了坚实的基础。最后感谢学院为我们提供了难得的机会，再次感谢各位老师和同学们的帮助!感谢老师的教诲，本学期的学习必将令我们受益终生！我们也将继续努力！评 语评 语 评阅人： 日期：