数字电容测量仪专业课程设计.doc

电气和自动化工程学院课程设计评分表

课程设计题目：
班级： 学号： 姓名：

项目
评分百分比
得分
课程设计出勤
10%

课程设计态度
20%

课程设计汇报
40%

课程设计答辩
30%

课程设计总成绩
100

指导老师：
年 月 日

课程设计答辩统计

学院 专业 班级 答辩人
课程设计题目
记 录 内 容

统计人___________

说明：关键统计答辩时所提问题及答辩人对所提问题回复

常熟理工学院电气和自动化工程学院

课程设计说明书

课程名称： 电子技术课程设计

设计题目： 电容测量仪 _____________

班级： ZB62161
姓名： 吴彬
学号： ZB6216123
指导老师： 施健
设计时间： -1-11

目录
一． 设计目标........................................................................................1
二． 设计思绪........................................................................................1
三． 设计框图........................................................................................1
（1） 设计过程......................................................................................1
（2） 多谐振荡器设计......................................................................2
（3） 单稳态触发器电路设计..........................................................2
（4） 计数电路设计..........................................................................3
四． 整体电路设计................................................................................4
五． 系统调试........................................................................................5
六． 仿真结果........................................................................................5
七． 设计心得........................................................................................6
八． 参考文件........................................................................................7

数字电容测量仪设计

一．设计目标
（1）了解常见数字集成电路使用。
（2）了解电容测量仪工作原理。
（3）掌握利用数字式集成电路设计电容测量仪原理和Multisim调试方法。

二．设计思绪
本设计中用555振荡器产生一定周期矩形脉冲作为计数器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矩形脉冲，转换原理是单稳态触发器输出脉宽tw和电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“和”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—译码显示系统就能够得到电容量数据。外部旋钮控制量程选择。用计数器控制电路控制总量程。

三．设计框图
多谐振荡器
计数器
译码器
数码管显示

图1 数字电容测量仪原理图
四．设计过程
（1）多谐振荡器电路设计
振荡器是数字电容测量仪关键，振荡器稳定性和其所产生基准频率稳定性决定了数字电容测量仪正确度。在要求不高情况下能够选择555组成多谐振荡器假如图2所表示。
555组成多谐振荡器工作原理以下：

接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压UC由0按指数规律上升。当UC≥2/3VCC时，电压比较器C1和C2输出分别为UC1=0、UC2=1，基础RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U0跃到低点平UoL。和此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。伴随电容C放电，Uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2输出为Uc1=1、Uc2=0，基础RS 触 发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U0 由低点平UoL跃到高电平UoH。同时，因Q’=0，放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回前一个暂稳态。

图2 555组成多谐振荡器

（2） 单稳态触发器电路设计
单稳态触发器所产生波形用于控制计数，由555定时器组成单稳触发器，它既为下级多谐触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。
单稳态触发器工作特特征含有以下特点：
第一，它有稳态和暂稳态两个不一样工作状态；
第二， 在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动回到稳态；
第三，暂稳态维持时间长短取决于电路本身参数，和触发脉冲宽度和幅度无关。
在图3所表示单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制，接通开关S2，单稳态电路产生一个控制脉冲，输出脉冲宽度等于暂稳台连续时间，即Tw=1.1RCx，它控制和门脉冲使得时钟脉冲经过开始计时，使得显示数字为被测电容容值大小R倍。

图3单稳态触发器电路原理图

（3） 计数电路设计
74LS160D是用于快速计数内部超前进位，含有n位级联进位输出，同时可编程序，有置数控制线，二极管箝位输入，直接清零，同时计数。

图4 计数电路原理图

四．整体电路设计

图5总体电路图
这个电路设计用到了8个电阻丝，5个电容，三个数码管，3个十进制计数器，三个数码管，2个555波谐振荡器，1个反相器，1个和门，3个单刀双掷开关。

五．系统调试
0.001uF-2uF档位电路图调试：我们将开关S1打到R3=960kΩ调试 0.001uF-2uF档位，显示数字为被测电容容值大小R倍，将一个在0.001uF-2uF范围标准电容接到测试端，我们以0.01uF为例，接通开关S2，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉冲宽度为Tw=RCxln3= 1.1RCx，它控制和门脉冲使得时钟脉冲经过开始计时，假如现实数字不是10，则说明时钟脉冲频率不符合要求，我们能够调整R1大小反复上述步骤，直到符合要求为止。经过调试我发觉当R1=515Ω 合要求为止。经过调试我发觉当R1=515Ω时最为适宜。

六．仿真结果
当S1打到R3=960kΩ，即选择0.001uF-0.1uF档位时，当被测电容为0.1uF时，仿真结果以下图：

图6被测电容为0.1uF仿真结果

当S1打到R4=100kΩ，即选择0.1uF-1.3uF档位时，当被测电容为0.5uF时，仿真结果以下图：

图7 被测电容为0.5uF仿真结果

仿真结果分析
当S1打到R3=960kΩ，即选择10.001uF-0.1uF档位时，当被测电容为0.1uF时，数码显示管显示数字为98，存在2%误差；当S1打到R4=90kΩ，即选择0.1uF-1.3uF档位时，当被测电容为0.5uF时，数码显示管显示数字为47，存在3%误差，不过是在误差许可范围内。所以，设计数字电容测量仪基础合格。

七．设计心得
经过这个课程设计，不仅加深了我对原本所学知识认识和了解，而且又让我学习到了很多新知识，在设计仿真中，碰到了很多困难和挫折，当我发觉仿真设计完以后却不能运行时感到十分迷茫，不知道自己错在哪里，但当问询了其它同学而且在网上查阅了很多资料后才发觉原来是自己对于元器件了解有误。课程设计时很累，不过收获也很多。比起劳累，知识收获愈加令我欣喜。此次课程设计，学到了很多课内学不到东西，比如独立思索而且处理问题，出现差错是虽惊不乱。对于我来说，收获最大是自己主动去处理问题，并在不停错误中总结处理方法，学会去分析问题出现原因，和应该从哪个部分去处理，当无法出现正确结果是，需耐心检验电路，因为大多数出问题全部是因为一两根线没接或接错问题。 总体来说，经过这次课程设计学习，让我对多种电路全部有了大约了解，也学会了常见绘图软件使用，在平时理论学习中碰到问题全部一一处理，加深了我对专业了解，培养了我对学习爱好，为以后学习打下了好开端。

八．参考文件
[1] 康华光.电子技术基础 数字部分（第五版)[M] 北京:高等教育出版社, .
[2] 王立欣，杨春玲主编.《电子技术试验和课程设计》[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，.98-99
[3]金唯香，谢玉梅主编《电子科学和技术和技术》 长沙：湖南大学出版社，.