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电容数字测量仪的课程设计.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.34M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    华东交通大学 数 电 课 程 设 计 报 告 题 目 简易数字式电容测试仪 简易数字电容 C 测量仪
    前言 电子制作中需要用到各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻 器相似，通常简称其为电容，用字母 C 表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。 尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某 物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质 叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见 的是电解电容和瓷片电容。 不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加 1 伏特直流电压时所储存 的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉（F）。但实际上，法拉是一个很 不常用的单位，因为电容器的容量往往比 1 法拉小得多，常用微法（μF）、纳法（nF）、 皮法（pF）（皮法又称微微法）等，它们的关系是：1 法拉（F）= 1000000 微法（μF） 1 微法（μF）= 1000 纳法（nF）= 1000000 皮法（pF）。 电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本 课题就是用数字显示方式对电容进行测量。 本设计报告共分三章。第一章介绍系统设计；第二章介绍主要电路及其分析；第三章 为总结部分。 摘要：由于单稳态触发器的输出脉宽 tW 与电容 C 成正比，把电容 C 转换成宽度为 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 系统就可以得到电容量的数据。 关键词： 闸门信号 标准频率脉冲 目 录
    第一章 系统设计 ····························································································2 一、设计目的 ····························································································· 2 二、设计内容要求 ······················································································2 三、设计技术指标 ······················································································2 四、方案比较 ·························································································· 2 五、方案论证 ·························································································· 3 1、 总体思路 ···················································································· 3 2、 设计方案 ···················································································· 3 第二章 主要电路设计与说明 ··········································································· 4 一、芯片简介 ····························································································4 1、555 定时器 ··················································································· 4 2、单稳态触发器 74121 ······································································· 4 3、4 位二进制加法计数器 47161 ···························································· 5 4、4 位集成寄存器 74 LSl75 芯片 ··························································· 6 5、七段译码器 74LS47-BCD 芯片 ························································· 7 二、总电路图及分析 ················································································· 7 1、总图 ···························································································· 7 2、参数选择及仪表调试 ······································································· 9 3、产品使用说明 ················································································ 9 4、以测待测电容 Cx 的电容量为例说明电路工作过程及测容原理 ·················· 9 三、各单元电路的设计与分析 ········································································ 9 1、基准脉冲发生器 ············································································· 9 2、启动脉冲发生器 ··········································································· 10 3、Cx 转化为 Tw 宽度的矩形脉冲 ························································ 10 4、计数器 ······················································································· 10 5、寄存—译码—显示系统 ·································································· 10 第三章 总结 ······························································································· 11 参考文献 ····································································································· 11 附 录 ·········································································································· 11 附录 1 元器件清单 ················································································· 11 附录 2 用集成元件代分立元件电路 ··························································· 12 评 语 ·········································································································· 13 第一章 系统设计 一、设计目的 1 掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。
    2 熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。 二、设计内容要求 1 设计电容数字测量仪电路。 2 组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。 3 画出电容数字测量仪的电路图，写出设计报告。 三、设计技术指标 1 测量电容容量范围为 100pF~100μF。 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。 四、方案比较 目前，测量电子元件集中参数 R、L、C 的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法 都有其优缺点。 方案一：像测量 R 一样，测量电容 C 的最典型的方法是电桥法，如图 1 所示。只是电容 C 要用交流电桥测量。电桥的平衡条件为 Z Z e  1  n j  (   n  1 )  Z Z e  2  x j  (   x  2 ) 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 电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节 电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测 量。 方案二：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器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，当稳态触发器输出电压的 脉宽为：tw=RCln3≈1.1RC。从式可以看到，当 R 固定时，改变电容 C 则输出脉宽 tW 跟着改 变，由 tW 的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压 V0 取平均值，由于电容 量的不同，tW 的宽度也不同，则 V0 的平均值也不同，由 V0 的平均值大小可得到电容 C 的大 小。如果把平均值送到位 A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。但是我们 对 A/D 转换器的掌握程度还不够充分设计有一些困难。 方案三：用阻抗法测 R、L、C 有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用 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。 方案四：万用（Q）表是用谐振法来测量 C 值如图 2。它可以在工作频率上进行测量， 使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它 对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。 方案五：标准频率比较法。很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量 图 2
    的物理量。基于此思想，我们把电容 C 转换成频率信号 f, 转换的原理是 555 震荡器的震荡 周期 T=0.639(Ra+Rb)C, 周期 T 与电容的电容量 C 成正比，通过闸门控制电路控制计数器， 对闸门内的脉冲进行计数，并由 LED 数码管显示出电容量。其原理框图如图 3 图 3 方案六：相对于方案五，我们把电容 C 转换成宽度为 Tw 的矩形脉冲，然后将其作为闸门信 号控制计数器计数，计数后再运算求出 C 的值，并送显示，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，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容 量的数据。其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，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使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数 引起的误差。因此本次设计我们采用此方案。 五、方案论证 （一）设计思路 本设计中用 555 震荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的 CP 脉冲，也就是标准 频率。同时把待测电容 C 转换成宽度为 tw 的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出 脉宽 tW 与电容 C 成正比。用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理 计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容的容值。或者把此脉冲作闸门时间和标 准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电 容量的数据。外部旋纽控制量程的选择，用计数器控制电路控制总量程，如果超过电容计量 程，则报警并清零。 （二）设计方案 该方案的总体方框图如图 4 所示。 第二章 主要电路设计与说明 一、芯片简介 1、555 定时器 如图 5 为 555 等效功能框图中包含两个 COMS 电压比较器 A 和 B，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，三个阻值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 A 和下比较器 B 分别提供 2Vcc/3 和 1Vcc/3 的偏置电压。 图 5 555 等效功能框图 定时器的功能主要取决于比较器,比较器 A、B 的输出控制着 RS 触发器和三级管 sw 的 状态,4 号管脚(Rd)为复位端.当 Rd=0 时,输出 Uo=0,sw 管饱和导通.此时其他输入端状态对电 路清 0 状态无影响。正常工作时，应将 Rd 接高电平。 像上面所说的那样, 当控制电压输入端 5 脚悬空时，比较器 A、B 的基准电压分别为 2Ucc/3，和 Ucc/3。如果 5 脚 ui 外接固定电压，则比较器 A、B 的基准电压为 Ui 和 Ui/2。 由图 5 可知，若 5 脚悬空，当 ui6<2Ucc/3，ui23Ucc 时，比较器 C1 输出低电平，比较器 C2 输出高电平，即 R=1， S=1。 RS 触发器维持原状态，使 u0 输出保持不变。 当 ui6>2Ucc/3，ui22Ucc/3 <2Ucc/3 <2Ucc/3 2、 单稳态触发器 74121 Ui2 x >Ucc/3 >Ucc/3
    ①.触发方式。74121 集成单稳态触发器有 3 个触发输入端，由触发信号控制电 路分析可知在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态。其功能表如表 2 所示。 表 2 74121 功能表 ·若 B 为高电平，A1、A2 中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生由 1 到 0 的负跳 变。 ·若 A1、A2 两个输入中有一个或两个为低电平，B 发生由 0 到 1 的正跳变。 ②定时。单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121 的定时电容连接 在芯片的 10、11 引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容 C 的正极连接在 Cext 输出端（10 脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择： ·采用内部定时电阻（2 kΩ），此时将 9 号引脚（Rint）接至电源 VCC（14 脚）。 ·采用外接定时电阻（阻值在 1.4～40kΩ之间），此时 9 脚应悬空，电阻接在 11、14 脚 之间。74121 的输出脉冲宽度 tW≈0.7RC。 通常 R 的数值取在 2～30kΩ之间，C 的数值取在 10pF～10μF 之间，得到的取值范围可 达到 20ns～200ms。 该式中的 R 可以是外接电阻 Rext，也可以是芯片内部电阻 Rint(约 2kΩ)，如希望得到较宽 的输出脉冲，一般使用外接电阻。 3、4 位二进制同步加法计数器 74161 芯片介绍 74161 是集成 TTL 四位二进制加法计数器，其符号和管脚分布分别如图 7（a）和（b） 所示，表 3 是 74161 功能表。 Q0Q1Q2Q3 74161 CTT CTP CPD0D1D2D3 CO LD RD （a） CR CP D0 D1 D2 D3 CTP GND VCC CO Q0 Q1 Q2 Q3 CTT LD 1 8 16 74161 9 （b）
    图 7 集成 4 位二进计数器 74LS161（a）符号图（b）管脚图 表 3 74161 的功能表 清零 预置 使能 时钟 预置数据输入 输出 RD 0 1 1 1 1 LD × 0 1 1 1 EP ET CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 × × × × 0 × × 0 1 1 × ↑ × × ↑ × × × × d1 d0 d3 d2 × × × × × × × × × × × × 0 d3 0 0 d1 d0 0 d2 保 持 保 持 计 数 工作模式 异步清零 同步置数 数据保持 数据保持 加法计数 由表可知，74161 具有以下功能： ① 异步清零。当 RD＝0 时，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟脉冲 CP，计 数器输出将被直接置零（Q3Q2QlQ0＝0000），称为异步清零。 ② 同步并行预置数。当 RD＝1、LD＝0 时，在输入时钟脉冲 CP 上升沿的作用下，并行 输入端的数据 d3d2d1d0 被置入计数器的输出端，即 Q3Q2QlQ0＝d3d2d1d0。由于这个操作要与 CP 上升沿同步，所以称为同步预置数。 ③ 计数。当 RD＝LD＝EP＝ET＝1 时，在 CP 端输入计数脉冲，计数器进行二进制加法 ET 计数。 ④ 保持。当 RD＝LD＝1，且 EP  ＝0，即两个使能端中有 0 时，则计数器保持原来的状 态不变。这时，如 EP＝0、ET＝1，则进位输出信号 RCO 保持不变；如 ET＝0 则不管 EP 状态如何，进位输出信号 RCO 为低电平 0。 4 、4 位集成寄存器 74 LSl75 芯片介绍 图 8（a）所示是由 D 触发器组成的 4 位集成寄存器 74LSl75 的逻辑电路图，其引脚图 如图 8（b）所示。其中，RD 是异步清零控制端。D0～D3 是并行数据输入端，CP 为时钟脉 冲端，Q0～Q3 是并行数据输出端， 0Q ～ 3Q 是反码数据输出端。 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 D0～D3，在 CP 端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行地出现在四个触发器 Q 端。 74LS175 的功能示于表 4 中。 图 8 4 位集成寄存器 74LSl75 （a）逻辑图 （b）引脚排列 74 LSl75 芯片内部结构图见附录三。
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