數(shù)電課程設(shè)計(jì)電容測(cè)試儀報(bào)告書

1、<p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有重要的影響，此次我的課程設(shè)計(jì)就是用數(shù)字顯示方式對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量。 數(shù)字化測(cè)量?jī)x器較模擬儀器具有使用方便，測(cè)量精確等優(yōu)點(diǎn)。本次課程設(shè)計(jì)是針對(duì)數(shù)字式電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，介紹了數(shù)字式電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案及其基本原理，并著重介紹了數(shù)字式電容測(cè)試儀各單元電路的設(shè)計(jì)思路，原理及整體

2、電路的的工作原理，控制器件的工作情況。</p><p>　　大多數(shù)電容可以用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量其充放電情況，以判斷其好壞和估測(cè)其大小。但是對(duì)于容量較小的電容，其充放電電流很小，萬(wàn)用表表針幾乎看不出擺動(dòng)，所以無(wú)法檢測(cè)。</p><p>　　小容量電容表可以解決這個(gè)問(wèn)題。電路采用了兩個(gè)555時(shí)基電路，分別構(gòu)成時(shí)鐘電路和測(cè)量電路，構(gòu)成級(jí)數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路，顯示電容的值。</p>

3、<p>　　555構(gòu)成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由被測(cè)電容控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時(shí)間，進(jìn)而控制計(jì)數(shù)時(shí)間。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中用555振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計(jì)數(shù)器的CP脈沖也就 是標(biāo)準(zhǔn)頻率。同時(shí)把待測(cè)電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容

4、C成正比。用這個(gè)寬度的矩形脈沖作為閘門信號(hào)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，合理處理計(jì)數(shù)系統(tǒng)電路，可以使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即為被測(cè)電容值?；蛘甙汛嗣}沖作為閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計(jì)數(shù)脈沖，該計(jì)數(shù)脈沖送計(jì)數(shù)—鎖存—譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋鈕控制量程的選擇，用計(jì)數(shù)器控制電路控制總量程。</p><p>　　想要實(shí)現(xiàn)待測(cè)電容的數(shù)字式測(cè)量，最主要的是將待測(cè)電容相關(guān)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。我們利用的是555單穩(wěn)態(tài)

5、觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。知道555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，最關(guān)鍵的就是將待測(cè)電阻容值的模擬信號(hào)以何種方式輸入到555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中。根據(jù)測(cè)量原理的不同，其輸入方法有很多，如直接法、電橋法和充放電法。各種辦法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，例如充放電法及直接法均需求得被測(cè)樣兩端的電壓與通過(guò)被測(cè)樣的電流，利用歐姆定律從而得出被測(cè)的電容， 電橋法則是利用電橋兩端電位的平衡來(lái)得出被測(cè)樣的電容。其中利用直接法測(cè)得的電容（如“ 搖表”）存在讀數(shù)不精確等明顯的人為

6、因素憂，在讀數(shù)較大的情況下尤其如此；利用充放電法測(cè)得的電容值偏大；而利用電橋法測(cè)量，則存在電橋調(diào)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力等不利因素。</p><p>　　下面列出兩種方案進(jìn)行分析：</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　把電容量通過(guò)電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯 示。可由555集成定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振

7、蕩器等電路，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：tw=RC㏑3≈1.1RC。從式中可以看出，當(dāng)固定時(shí)，改變電容C則輸出脈寬tw跟著改變，由tw的寬度就可以求出電容的 大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓Vo取平均值，由于電容量的不同，tw的寬度也不同，則Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到電容C的大小。如果把平均值送到A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。但是我們對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的掌握程度還不夠充分，設(shè)計(jì)有一些困難。</p

8、><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　用阻抗法測(cè)R、L、C有兩種實(shí)現(xiàn)方法：永恒流源供電，然后測(cè)元件電壓；永恒壓源供電，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，所以它們適用的測(cè)量范圍很窄。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　像測(cè)量R一樣，測(cè)量

9、電容C的最經(jīng)典方法是電橋法，如圖2.1所示。只是電容C要用交流電橋測(cè)量。電橋的平衡條件是：</p><p>　　Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）] =Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]</p><p>　　圖2.1 電橋電路</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時(shí)電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件以及一些已知的電路參數(shù)就可求出被測(cè)電容。用這

10、種方法測(cè)量，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動(dòng)，電橋的平衡也難以用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。</p><p><b>　　方案四：</b></p><p>　　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)，技術(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

11、輸出脈寬tw與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計(jì)的知識(shí)，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，該計(jì)數(shù)脈沖送至計(jì)數(shù)—鎖存—譯碼—顯示系統(tǒng)就可得到電容量的數(shù)據(jù)。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。因此本設(shè)計(jì)我們采用此方案。</p><p><b>　　三、原理說(shuō)明</b

12、></p><p>　　3.1 系統(tǒng)原理說(shuō)明</p><p>　　系統(tǒng)總體框圖如圖所示：</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　555單脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖和555多頻振蕩器產(chǎn)生的脈沖相與后74160N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，再經(jīng)過(guò)譯碼、驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)數(shù)碼管顯示出脈沖個(gè)數(shù)?；驹硎菍㈦娙葜缔D(zhuǎn)化

13、為頻率，然后測(cè)量出轉(zhuǎn)化后的頻率，最后根據(jù)一定的關(guān)系即可得出待測(cè)電阻阻值，設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)置好相應(yīng)元件的參數(shù)，使數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字即為待測(cè)電容值。</p><p>　　3.2 各部分電路原理說(shuō)明</p><p>　　3.2.1 單穩(wěn)態(tài)電路</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形如圖3.2所示，其工作原理如下：</p><p

14、>　　接通電源瞬間，Vc=0，輸出Vo=1，放電三極管T截止。Vcc通過(guò)R給C充電。當(dāng)Vc上升到2Vcc／3時(shí)，比較器C1輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)基本RS觸發(fā)器置0，輸出Vo=0.同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，電容C放電，電路處于穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)Vi=1.</p><p>　　當(dāng)輸入負(fù)脈沖時(shí)，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使Vo=1，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。由于Vo=1，三極管T截止，電源Vcc可通過(guò)R給C充電。當(dāng)電容C充電至Vc=2Vcc／3

15、時(shí)電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出Vo=0，T導(dǎo)通，電容C放電，電路自動(dòng)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。可見(jiàn)，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間由RC電路參數(shù)決定。</p><p>　　若忽略T的飽和壓降，則電容C上電壓從0V上升到2Vcc／3的時(shí)間，即輸出脈沖寬度tw為： tw=RC㏑3≈1.1RC</p><p>　　3.2.2 多諧振蕩器電路</p><p>　　電路圖如下圖所示，其工作原理如下：</p>

16、;<p>　　當(dāng)接通電源Ucc后，電容C上的初始電壓為0V，比較器C1、C2輸出為1和0，使Uo=1，放電管T截止，電源通過(guò)R1、R2向C充電。Uc上升至2Ucc/3時(shí)，RS觸發(fā)器被復(fù)位，使Uo=0，T導(dǎo)通，電容C通過(guò)R2到地放電，Uc開(kāi)始下降，當(dāng)Uc降到Ucc/3時(shí)，輸出Uo又翻回到1狀態(tài)，放電管T截止，電容C又開(kāi)始充電。如此周而復(fù)始，就可在3腳輸出矩形波信號(hào)。</p><p>　　由圖所示，可以

17、求得電容C1上的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2 ： T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C</p><p>　　T2=R2C㏑2≈0.7R2C</p><p>　　所以輸出波形的周期為T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C</p><p>　　R1=4.7k，R2=12k，T≈2ms</p><p>　　振蕩

18、頻率 f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]≈500Hz</p><p>　　占空比 q= （R1+R2）／（R1+2R2）≈58.2％</p><p>　　3.2.3 計(jì)數(shù)部分</p><p>　　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。</p><

19、p><b>　　其管腳圖如下所示：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)中74LS160的連接圖如下</p><p>　　3.2.4鎖存器部分</p><p>　　由74LS273構(gòu)成的鎖存電路對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存。74LS273工作原理是：MR為高電平，當(dāng)CLK輸入為上升沿時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鎖存，鎖存后輸出不再隨輸入信號(hào)變動(dòng)，直至下一個(gè)上升沿到來(lái)

20、。這里的CLK輸入由單穩(wěn)態(tài)輸出接反相器得到。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)輸出為低電平時(shí)，表示定時(shí)結(jié)束，同時(shí)鎖存電路對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存。以正確顯示電容值。</p><p>　　74LS273的管腳功能介紹如下：74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D～8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q～8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作數(shù)據(jù)鎖存器,地址鎖存器?！　?lt;/p><p>　　(1)腳是復(fù)位CLR,低電平有效

21、,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;</p><p>　　(2)當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4

22、)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.</p><p>　　74LS273的管腳圖如下所示</p><p><b>　　鎖存電路如下：</b></p><p>　　3.2.5 譯碼及數(shù)碼顯示部分</p><p>　　74LS248芯片的功能即將四位二進(jìn)制表示的數(shù)進(jìn)行譯碼，以驅(qū)動(dòng)共陰的七段數(shù)碼管顯示其值。<

23、/p><p>　　因?yàn)樽g碼電路用的是74LS248，所以這里選用八段共陰數(shù)碼，電路圖如下：</p><p><b>　　四、參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　因?yàn)闇y(cè)試電容的原理是:閘門信號(hào)Tw=1.1RCx，而振蕩器輸出周期為T=0.7（R1+2R2）C的基準(zhǔn)脈沖，我們?cè)O(shè)置電路使0.7（R1+2R2）C*N=1.1RCx，因?yàn)橐蔑@示數(shù)值表示電

24、容大小。</p><p>　　將被測(cè)電容安裝在單穩(wěn)態(tài)電路中電容C3位置處，選擇一個(gè)量程的開(kāi)關(guān)合上，并點(diǎn)擊運(yùn)行開(kāi)關(guān)。若顯示值在1-100之間，則說(shuō)明量程選擇正確；若顯示值為000，則說(shuō)明量程選擇大，應(yīng)調(diào)小量程；若顯示值大于100，則說(shuō)明量程選擇太小，應(yīng)調(diào)大量程。檔位分為100pF到10000pF，10000pF到1uF。 設(shè)定R1=4.7k，R2=12k，C=0.1uF，則由上式和量程可以算出180k和18000k

25、。180k的檔位是大量程，顯示示數(shù)要乘以10000。18000k的檔位是小量程。</p><p>　　選定R1=4.7K,R2=12K后，可計(jì)算得多諧振蕩器的輸出頻率為500Hz，設(shè)計(jì)數(shù)器的級(jí)數(shù)個(gè)數(shù)為n，待測(cè)電容值為Cx，可得調(diào)測(cè)R1，R2，R的值可以使n和Cx在數(shù)值上相等，及達(dá)到測(cè)量電容的目的。</p><p><b>　　五、實(shí)物焊接與調(diào)試</b></p&

26、gt;<p>　　電路分為6個(gè)模塊進(jìn)行焊接，分別為多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器電路、鎖存器電路、譯碼器電路、數(shù)碼管顯示電路。</p><p>　　因?yàn)閷?shí)際電阻和電容不可能為理論值，多諧振蕩器的頻率和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時(shí)間也不會(huì)為理論計(jì)算值，在這種情況下為了能測(cè)量電容的值就需要進(jìn)一步的調(diào)試。調(diào)試時(shí)先用萬(wàn)用表測(cè)得R1=4.66K，R2=11.70K,R3=175.9K,R4=17.53M。測(cè)得多諧

27、振蕩器的輸出頻率為748Hz,待測(cè)電容Cx為0.1uF時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的高電平時(shí)間為6.4ms，顯然誤差較大，為了減小誤差，對(duì)電路做了一些調(diào)整，將R1改為10K。改進(jìn)之后電路的測(cè)量如下圖：（待測(cè)電容為0.22uF）</p><p><b>　　六、元件清單</b></p><p><b>　　七、心得與體會(huì)</b></p><

28、p>　　這是一次理論與實(shí)際相結(jié)合的過(guò)程，在這一過(guò)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(jué)知識(shí)與實(shí)際脫離的太遠(yuǎn)，學(xué)得再好，過(guò)不了多長(zhǎng)時(shí)間就全忘了，到頭來(lái)學(xué)了也不知道有什么用，學(xué)了也沒(méi)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(méi)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(lè)趣。</p><p>　　由于我開(kāi)始有自學(xué)過(guò)單片機(jī)，用過(guò)proteus軟件，對(duì)一些功能模

29、塊比較熟悉，所以接到設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)對(duì)各部分電路有了整體的認(rèn)識(shí)。結(jié)合相關(guān)的資料，我便開(kāi)始設(shè)計(jì)起電路圖來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)改變單穩(wěn)態(tài)電路6、8引腳間的電阻值來(lái)設(shè)計(jì)的。但最后在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量檔位在1uf-100uf時(shí)，某些電容值的顯

30、示結(jié)果很不穩(wěn)定，于是我便在在該檔位下，在在多諧振蕩器的C2電容間并聯(lián)一個(gè)電路，以減小輸出脈沖的頻率，同時(shí)增大單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)時(shí)間以達(dá)到測(cè)量結(jié)果不變的目的。</p><p>　　當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中并非只遇到這幾個(gè)問(wèn)題。我們可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)問(wèn)題而在電腦前調(diào)試好幾個(gè)小時(shí)。但這發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程就是我們學(xué)習(xí)的過(guò)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(kāi)拓思維，提高動(dòng)手能力。在我

31、看來(lái)，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(wèn)題的能力。</p><p>　　在這兩周期間，同學(xué)們相互討論，相互交流，相互學(xué)習(xí)，無(wú)疑也是一次團(tuán)結(jié)合作精神的培養(yǎng)。</p><p>　　總的說(shuō)來(lái)，這是一次綜合能力的鍛煉。也激發(fā)了我們動(dòng)手的欲望，學(xué)習(xí)的激情。</p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)

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