数字式电容测量仪.docx

《电子技术》
课程设计报告
报告题目： 数字式电容测量仪
作者所在系部：电子工程系
作者所在专业：电子信息工程
作者所在班级：
作 者 姓 名 ：
作 者 学 号 ：
指导教师姓名：
完 成 时 间 ：
课程设计任务书
课题名称
数字式电容测量仪的设计
完成时间

指导教师

职称
讲师
学生姓名

班 级

总体设计要求和技术要点
设计一个数字式电容测量仪电路，要求如下：
1．能测量10μF-990μF范围内的电容量。
2．用两只LED数码管构成数字显示器。数码管用来显示后两位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为99和0。|
3．数字显示器所显示的数字N与被测电容量CX的函数关系是 N=Cx/(10μF)
4．在正常工作条件下，测量电路接上CX后数字显示器便可自动显示出数字，即不需要测试者进行清零、启动之类的操作，便可正常显示。响应时间Tx不超过2s，即接上CX后，在2s之内，显示器所显示的数字N符合上述函数关系，其误差的绝对值在给定器件的前提下尽量小。
5、在正常测量范围内,显示数目应当清晰,但允许有所闪动。
6．若被测电容超过990uF，则数码管呈全暗状态，发光二极管呈亮状态，表示超量程。
7．测量电路应有被测电容器的两个插孔，并标上符号“+”和“-”。“+”端电位瞬时值不低于“-”端电位的瞬时值，而且它们之间的开路电压瞬时值最大不超过5.5V。
工作内容及时间进度安排
第15周：
周1---周4 立题论证方案设计
周5预答辩
第16周：
周1---周3 仿真实验
周4---周5验收答辩
课程设计成果
1．与设计内容对应的软件程序
2．课程设计报告书
内 容 摘 要
电容在电子线路中有着广泛的应用，它的容值大小对电路性能有重要影响，本课题就是用数字显示的方式对电容进行测量。
利用单稳态触发器产生脉冲宽度TW与电容C成正比的特点，将被测电容C转换为宽度为TW的脉冲然后将其作为闸门信号控制标准脉冲信号的个数并送到锁存译码显示电路中则可得到电容值。当被测电容值超出量程时数码管呈灭零状态，报警二极管发光。
关键字：测脉宽法 闸门信号 数显
目 录
一、 概 述 ……………………………………………………………… 1
二、方案设计与论证………………………………………………………………1
测脉宽法……………………………………………………………………1
三、单元电路设计与分析…………………………………………………………2
1. 测量电路设计……………………………………………………………..2
2. 计数电路设计……………………………………………………….6 3显示电路设计……………………………………………………………8
四、总原理图及元器件清单…………………………………………………… 11
五、结论………………………………………………………………………… 11
六、心得体会…………………………………………………………………… 11
七、参考文献…………………………………………………………………… 13
一、概述
通过用555定时器接成单稳态产生闸门信号和多谐振荡器产生脉冲信号CP，闸门信号的脉宽T与被测电容CX充放电时间成正比。通过计数器计量闸门信号内脉冲的个数N，送入74LS273锁存器锁存，后经7448译码器译码后接两只LED七段数码管显示输入数值N。数值均用十倍表示，即显示数值为实际值的1/10，显示范围为0到99。当CX 超过量程时，数码管灭零变暗，同时二极管变亮报警，表示超出量程。
二、方案设计与论证
数字电容测量计设计主要包括测量电路，记数电路和显示电路三部分。测量电路的核心部分是555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器。记数电路是由74LS160和74LS161构成的计数器以及74LS273锁存器构成。显示电路由译码器和数码管构成。能满足上述设计功能可以实施的方案很多，本设计采用测脉宽法。
测脉宽法
测脉宽法的基本原理如图1所示，利用记数控制电路中的单稳态触发器在被测电容CX上的充放电规律，将电容容值转换为脉冲宽度TX，再与标准脉冲信号相与得到TX内的脉冲数N，通过记数显示就可以得到容值。

图1 测脉宽法的原理框图
本设计选择用闸门信号来控制时钟信号产生的CP脉冲个数，使其来反映被测电容Cx的数值。用测脉宽法得到的数值比较容易通过数码管来显示，可省去数码转换而且误差相对比较小。

1． 测量电路

图2 测量电路
图2是由两个555定时器接成的单稳态触发器和多谐振荡器所构成的电容测量电路，C3为被测电容，当被测电容CX接入电路后，由于电容充放电效应，单稳态触发器会产生一个脉宽与被测电容大小成正比的闸门信号（如图3中第三个信号），同时多谐振荡器会产生脉冲信号CP（如图3中第二个信号），闸门信号与脉冲信号CP同时经过与门运算，得到一个新的脉冲信号（图3中第一个信号），再将此信号送入计数器进行计数。

图3 单稳态触发器
单稳态触发器由555定时器接成，4端为异步清零端，当置0时，无论输入如何均输出低电平，当置1时，555定时器工作。2端和6端为信号输入端。8端接高电平，1端接地，5端接滤波电容再接地，3端为信号输出端。7端为反相信号输出端，C3为被测电容接于6端和地之间，这样就构成了单稳态触发器。当接入被测电容时，通过被测电容C3充放电，使电压在0到2/3VCC之间振荡，最后脉冲由3端输出。
单稳态触发器输出电压脉宽
TX=RCXln3≈RCX
这种电路产生的脉冲可以从几微秒到数分钟。当R固定时，则TW为正比于电容。C越大，则Tw时间内通过与门的时钟脉冲就越多，则计数电路实现T与C正比。

图4 多谐振荡器
多谐振荡器由555定时器接成。4端为异步清零端，当置0时，无论输入如何均输出低电平，当置1时，555定时器工作。2端和6端为信号输入端。8端接高电平，1端接地，5端外接控制电压端，当5端接控制电压时，这个电压就作为基准电压。3端为信号输出端，7端为反相输出端。2端和6端为输入端。由于C2容值一定，所以产生的脉冲信号稳定不变。
多谐振荡器输出电压脉宽
T=(R1+2R2)Cln2≈0.69(R1+2R2)C
经过与门后得到的信号满足：RCxln3=N(R1+2R2)Cln2
令参考电容C=1uf 进过整理得 CX= N(R1+2R2)Cln2/Rln3
即当 (R1+2R2)Cln2/Rln3=1 时
闸门信号内单位脉冲数N×10就得到被测电容CX的容值。
设被测电容为100uf时仿真得图3

图5 测量电路仿真图

图6 计数电路
计数电路由74LS161计数器74LS160计数器和74LS273锁存器构成，两片计数器通过置数法将两片计数器连接成百进制计数器，计数范围为0到99。时钟信号由闸门信号和脉冲信号相与得到，当计数达到99时，再经过一个脉冲时钟信号74LS161的输出端Q3和Q1输出1.两片计数器输出端接74LS273锁存器输入端，锁存器时钟信号由单稳态触发器输出信号经过反相得到，经过反相器是为了使锁存器在计数结束时开始锁存。

图 7 计数器
图7是由74LS161十六进制计数器和74LS160十进制计数器构成，74LS160计数器的EP和ET端接高电平，使之保持在工作状态，时钟信号由测量电路输出提供，其进位输出端接到74LS161计数器的EP和EP端，使其在进位时让计数器U3工作。两片计数器的MR端和LOAD端均接测量电路的单稳态输出端，保证计数器在有效技术范围内计数。当超出计数范围时，Q3和Q1为1通过74LS08与门输入到下一级电路。

图8 锁存器
计数电路中的锁存功能由锁存器74LS273完成，D0到D7端为数据输入端，分别对应接到计数器的输出端。MR端为异步清零端，接高电位使其保持在工作状态。时钟信号由测量电路中的单稳态触发器输出端经过反相得到，使其在技术结束时进行锁存。Q0到Q7端为输出端，分别接到下一级显示电路的译码器输入端。
3.显示电路

图 9 显示电路
显示电路主要包括译码器7448和数码管两部分，计数电路的锁存器输出端分别接到译码器输入端，译码器LT,RBI均接高电位使其保持工作状态，QA到QG为译码器输出端分别接到数码管输入端，同时Vcc接限流电阻接到输入端。当接入被测电阻电路工作时，计数器计数再通过锁存器将计数结果送入7448译码器，译码器将相应数值译成高低电平送入数码管，数码管显示相应数值。

图 10 驱动显示电路
图10 为显示驱动电路，A0到A3为输入端，当LI和RBI同时置高电位时译码器工作。Ya到Yg为输出端，分别接数码管各端驱动显示。

图 11 超量程报警电路
超量程报警电路由7474锁存器和发光二极管构成，7474锁存器的RSD端均接高电位，时钟信号由计数电路的74LS161计数器的Q3Q1端经过与门得到。5端6端分别为输出端和反相输出端，5端接到LED发光二极管，6端接7448译码器的工作状态控制端RBO，当被测电容超过范围时，5端输出高电平使LED发光，同时6端输出低电平将两片7448译码器RBO端置零，使之灭零变暗。表示被测电容超过量程。
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图

元件序号
l Quantity Description Reference_ID Package
1 1uF C1 0603
2 10nF C2,C3 0603
1 LED D1
1 30KΩ R1 RES180
1 300Ω R2 RES180
ΩK R4 RES180
1 1KΩ R5,R6,… R17,R18 RES180
2 555 U1,U2 DIL08
1 74LS160 U4 DIL14
1 74LS273 U5 DIL20
1 74LS04 U6 DIL14
2 74LS08 U7 DIL14
2 74LS48 U9,U10 DIL16
1 74LS74 U13 DIL14
1 74LS161 U3 DIL16
2元器件清单

当被测电容接入电路后，在两秒内即可显示相应数值。当电容的取值在10uf到990uf时，数码管显示的数值N是00到99中的一值，数字显示器所显示的数字N与被测电容量CX的函数关系是 N=Cx/(10μF)。当被测电容值超出量程时数码管呈灭零状态，报警二极管发光。

通过两周的课程设计，让我对数字电路知识有了进一步的了解，包括对一些元器件的功能和使用法有了进一步的认识，以前的学习主要在于原理方面，对器件单一的认知，缺少模块化的思想，而这次课程设计正好弥补了以前学习的不足，让我们更加注重于知识的运用，在实践中加深了对知识的理解。在这次课程设计中，令我感触最深的就是几位同学团结合作，一起把所学的理论知识变为现实生活中的应用。在实践中获取了不少知识，但更重要的时发现了自己在学习中思考不足动手不足的问题，在今后的学习中，我一定会针对这些问题改进学习方法，提高动手实践能力。

1.电子技术动手实践 主编 崔瑞雪 张增良 北京航空航天大学出版社
教师评语及设计成绩
评 语

课程设计成绩：
指导教师：
日期：年月日