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电子技术课程设计报告

课程名称： 数字式电容测量仪

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数字式电容测量仪设计报告

一内容提要:
电容元件广泛应用于各种电子产品和电路中，具有十分广泛的应用。电容的容值参数是设计中应考虑的重要参数。常见的电容分为有极电容和无极电容。电容的容值与电容的直对面积、形状、电解质等有关系。目前的电容体积小，用常规方法难以精确测出。为解决该问题。我们设计了简易数字式电容测试仪。该设计将电容的测量转化为频带宽度的测量，具有便携、易操作、高精度等特点。
本文粗略讲述了我在本次实习中的整个设计过程及收获。
讲述了数字电容测量仪的工作原理以及其各个组成部分，记述了我在整个设计过程中对各个部分的设计思路、对各部分电路设计方案的选择、元器件的筛选、以及对它们的调试、对调试结果的分析，到最后得到比较满意的实验结果的方方面面 。
二设计内容及要求:
1. 被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内。
2. 设计两个的测量量程。
3. 用3为数码管显示测量结果。
4. 显示小数点和单位。

三设计思路及原理:
1. 系统概述
（1）将待测电容构成单稳态电路，在一定条件下，则单稳态电路的暂稳态时间与电容值成正比。
（2） 用这个暂稳态时间作为一个时间窗（Tc），在这个时间窗内，对标准脉冲信号进行计数，从而测出时间窗的宽度，进而得到电容值。
Tc=K·C

f

&en

计数
脉冲个数——N
时间窗中脉冲个数：N=Tc×f=K’f×Cnum
选择电阻R使K’f=1，则N=Cnum
例如：
C=0.11μF，Cnum=11 C=11 μF， Cnum=11
Tc=K·C=K · Cnum× 10-8F(秒) Tc=K·C=K · Cnum× 10-6F(秒)
时间窗中脉冲个数：
N=Tc×f=K·10-8·f×Cnum=Cnum N=Tc×f=K·10-6·f×Cnum=Cnum
即 K·10-8·f=1 即 K·10-6·f=1
所以改变 量程时，要改变K(R) 或 f就可以，我们选择的是改变R。

2． 单元电路设计、仿真与分析
1、时钟（555多谐）+计数器（3位十进制）+译码+显示（可借用实验箱上的）
2、时间窗口用555实现单稳电路，实现计数窗口，脉宽tp≈1.1RC（C为被测电容）
3、控制电路的作用：向单稳发出窄脉冲触发信号，向计数器发出窄脉冲清零信号，应该先清零计数器，清零结束后再触发单稳时间窗
4、启动测量可以用手动按钮来实现，但要有防抖电路。
5、量程调节可以用开关换接单稳上的电阻值完成。
6、小数点利用试验箱上的数码显示器上的 h，应配合量程选择点亮哪一位。
7、可能用到的将信号的沿转换成窄脉冲的电路：

3．电路的安装与调试
    1．用555定时器构成的多谐振荡器
其基本电路图如下:

555定时器组成的多谐振荡器(即标准脉冲产生电路),振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算以及后来实际的调试，确定了R1取12千欧姆,R2取4千欧姆,电容C1取0.1uF,C2取0.01uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲
2.用555构成单稳态触发电路
其基本电路图如下：

输出波形为：

通过向2脚输入窄脉冲，触发时间窗，实现计数窗口，脉宽tp≈1.1RC（C为待测电容）。得：
当量程为大量程时（1 uF—100 uF）：
K·10-6·f=1，
K=1.1R，R3=10^6/(1.1÷f) ≈1.8k
当量程为小量程时（0.01 uF—1）：
K·10^-8·f=1，
K=1.1R，R3’=10^8/(1.1÷f) ≈180K
3. 同步十进制计数器74LS161构成计时器
同步十进制计数器74LS161如下图所示：

74LS161管脚图

74LS161是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。
74LS161的功能表如下表所示：

74LS161的功能表
将74LS161构成十进制以下计数器可采用以下两种反馈方式：
（1）异步清零法
异步清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零（清零）。反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使数电路同步或异步地复位。
（2）同步置数法
同步置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在滿足条件时，计数电路输出状态为给定的二进制码。
本次设计计数时我们采用的是同步置数法，因为清零端需要留着接清零信号。
附74LS20管脚图：

4 计数电路
电路图如下

在十位与百位之间加一个红灯充当小数点，利用逻辑电路当选取小量程时小数点发光。

5 控制电路
电路图如下

采用微分电路。
四．心得体会

五．附录

六．参考文献

附录1：总体电路图