数字电容测量仪优秀课程设计.doc

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级电子科学和技术专业

数字电子技术课程设计

数字电子技术课程设计汇报书

课题名称
数字电容测量仪设计
姓 名
吴亚香
学 号
1212501-35
学院
通信和电子工程学院
专 业
电子科学和技术
指导老师
张学军

6月 10 日
一、设计任务及要求：
设计任务：
设计一个数字电容测量仪。
要 求:
(1) 被测电容容量在0.01μF至100μF范围内。
(2) 设计测量量程。
(3) 用3 位数码管显示测量结果，测量误差小于5%。
(4) 采取Multisim11进行仿真，验证和完善设计方案。

指导老师署名：
月 日
二、指导老师评语：

指导老师署名：
月 日
三、成绩

验收盖章
月 日

数字电容测量仪设计

1设计目标
（1）掌握multisim12仿真软件应用技巧。
（2）掌握电容数字测量仪设计组装和调试方法。
（3）熟悉对应中大规模集成电路使用方法，并掌握其工作原理。
2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。。
3设计过程
3.1设计框图
多谐振荡器
计数器
数码显示器
脉冲形成电路
微分电路
外接电容
自动调零

图1 数字电容测量仪原理图
3.2多谐振荡器电路设计
振荡器是数字电容测量仪关键，振荡器稳定度和其所产生基准频率稳定度决定了数字电容测量仪正确度，通常选择石英晶振组成振荡电路。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。所以，电容C上电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间往返充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲，作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形图3。

图2 555组成多谐振荡器

图3多谐振荡电路及输出波形
3.3 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4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=（3－5），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4 单稳态触发器电路原理图
3.4 计数电路设计
74LS160D是集成同时十进制计数器，该计数器含有同时预置、异步清零、计数和保持四种功效有进位信号输出端，可串接计数使用。

图5 计数电路原理图
3.5 总体电路图
图6 总体电路图
4系统调试和仿真结果
4.1系统调试
1uF-100uF档位电路图调试：我们将开关S1打到R=1kΩ调试 1uF-100uF档位，显示数字为被测电容容值大小R倍，将一个在1uF-100uF范围标准电容接到测试端，我们以80uF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80，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时最为适宜。
0.01uF-1uF档位电路图调试:我们将开关打到R=100kΩ测试0.01uF-1uF档位，调试同上，以被测电容大小为0.56uF为例，假如现实数字不是56，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时最为适宜。
4.2仿真结果
当S1打到R=1kΩ，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，仿真结果以下图：

图7 被测电容为48uF仿真结果
当S1打到R=100kΩ，即选择0.01uF-1uF档位时，当被测电容为0.24uF时，仿真结果以下图：

图8 被测电容为0.24uF仿真结果
4.3 仿真结果分析
当S1打到R=1kΩ，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，数码显示管显示数字为48，不存在误差；当S1打到R=100kΩ，即选择0.01uF-1uF档位时，当被测电容为0.24uF时，数码显示管显示数字为25，存在4%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。
5关键器件和仪器设备
555定时器 2个
定值电阻 6个
74LS160D 3个
74S08D 1个
反相器 1个
6 设计体会
这次课程设计让我所学知识得到了利用，让我动手能力得到了提升。在做课程设计过程中，我碰到了多个自己不能处理问题，经过老师和同学帮助，最终将问题处理。所以，我才知道自己专业知识不够，而且我们所学理论知识很关键，没有坚实知识基础，是不能做好课程设计。
我认为，课程设计对于我们电子科学和技术专业学习很关键。我们所学知识最终应用于实践，理论起源于实践，实践是检验真理唯一标准。所以，我们在学习理论知识同时，一定要重视实践。
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]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，.