数字式电阻电容仪设计实现实验报告.doc

电子电路综合实验
总结报告

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说明：格式按照给定模板。蓝字部分是说明，可删掉。红字部分是示例，供参考。

一、摘 要
（归纳总结实验内容、测试结果）

数字化测量仪器较模拟仪器具有使用方便、测量精确等优点。本课程设计是针对数字是电阻电容测量仪各单元电路的设计思路。电阻电容的测量常用的工具是万用表。指针式万用表得到的是估计值。数字式万用表多显示整数。在实际使用中，尤其是在对小单位电容的测量中，往往受制于电表的量程，无法进行精确测量。然而引入精密仪器则会增加不必要的费用。根据所学知识，设计了一套数字式电阻电容测量仪，可以对小单位电容进行精确测量。本系统由555定时器、74HC160四位二进制计数器、皮尔斯振荡电路、CD4511七段译码器以及双位数码管组成。通过将LM555定时器接成单稳态触发器，并根据其暂态时间tw与555定时器外接电容电阻有关的特性，在暂态时间段内，截取皮尔斯振荡电路产生的高频率脉冲并通过计数器电路对脉冲跳变沿个数进行采集，最终经译码器电路显示于两位数码管上。

二、设计任务
2.1 设计选题
选题5数字式电阻电容测量仪设计实现
2.2 设计任务要求
由555单稳态触发器、皮尔斯振荡器产生出与测量元件参数成比例的触发脉冲。经计数器译码后显示输出元件参数。
1、焊接计数显示电路。在信号发生器给定信号下调试
2、焊接振荡电路。由频率计/示波器检查频率。
3、按最小分辨率计算单稳态电路外接元件参数。
4、焊接555单稳态触发器，系统联调。
5、设计调试负脉冲发生电路。注意负脉冲与单稳态脉宽的匹配。
三、方案设计与论证
（给出系统原理方框图，说明工作过程）
利用555定时器搭建单稳态触发器，其输出状态和皮尔斯振荡电路产生的11MHz方波进行与非，其输出结果是在单稳态定时器高电平期间，皮尔斯振荡电路产生的脉冲。通过74HC160四位二进制计数器对脉冲进行计数，并经CD4511七段译码器显示到数码管上，所得数据便是待测电容值。系统方框图如图所示。

此方案没有使用可编程控制器以及A/D采集芯片，降低了开发成本，基于皮尔斯振荡电路的时钟基准，电路可对电容进行精确测量。
四、电路单元参数的选定和设计实现
（分模块介绍电路设计过程，设计过程的数值计算。如需仿真，给出仿真结果，如果用单片机，给出软件流程图。用multisim或者protel绘制电路图）
4.1显示电路
显示电路由数码管静态显示。数码管是由发光二极管组成的。可对来自74HC160的数进行译码显示，实际测试中选用两位数码管进行显示，效果较好，可以正常显示。

4.2皮尔斯振荡电路
皮尔斯电路结构如图所示。二极管用于垫的静电放电。7404是个大增益的放大器。反馈电阻R3大于1M欧。它使反相器在工作初期处于线形区。 R2作为驱动电位调整之用，可以防止晶振被过分驱动而工作在高次谐波频率上。电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。分压点为参考点，输入和输出是反相的，形成一个正反馈以保证电路持续振荡。

仿真波形如下

4.3单稳态触发器
单稳态触发器脉冲宽度公式:

若基准时钟信号周期为90ns，测量精度达到1%，则在测量1pF时，应使tW为 9000ns,即计数显示1.00。根据上式可得R为8.2M欧。
单稳态触发器输入的负脉冲信号可由信号发生器产生。也可由专用电路。但应注意负脉冲信号的宽度及触发频率，不可使其多次触发。

仿真电路如下

4.4计数器电路
电路由74HC160四位二进制计数器组成，可对输入脉冲进行计数。

五、装调测试过程
（测试仪器，测试过程，要有详细的测试步骤，测试数据处理，计算误差，附测试照片）
5.1 测试仪器
（1）示波器；TDS3502B 500MHz （2）电源：EM1712 DC
（3） 波形发生器DG1022
5.2 计数-显示电路测试
学生电源提供5V电压进行供电，函数发生器发出5Hz，5Vp方波，计数器可正常计数。
5.3 单稳态触发器电路测试
通过输入负脉冲信号，单稳态电路发出波形。测量暂态时间为304us。

5.4 皮尔斯振荡电路
皮尔斯振荡电路由晶振、二极管、电阻电容及74HC04反相器组成。实测输出频率为11MHz。与预期结果相同

误差分析555单稳态触发器外接电阻R=8.4M欧；外接电容C=36pF。

测得脉冲宽度tw=304us；理论值为332us，则误差为=[(332-304)/332]*100%=8.44%.
实际电路经检测，电路上电后，按下触发电路按键，计数器开始计数在一定时间后停止，最终所显示数字与待测电容数值接近，符合设计要求

六、实验注意事项及主要可能故障分析
（对作品的评估、存在问题、产生问题的原因及解决办法及心得体会）
在皮尔斯振荡电路部分，晶振两引脚与负载电容距离应足够近，并且电容引脚不可留出过长，以保证晶振能工作在并联谐振状态。实际测得振荡电路部分输出脉冲频率符合要求。实验中在电路上电测试时发现工频干扰、静电干扰较严重，在未向电路输入脉冲信号时，数码管出现不规则闪烁情况。针对这种情况，本设计使用较少的飞线，通过焊锡将焊盘顺次连接形成电流通路，并且后期在电路板背面贴上绝缘胶带的方式来减少外部干扰。
七、 参考文献
1、 李康 哈工程大学 数字式电阻电容测量仪设计实现ppt

附录应包括完整电路图，元器件清单，实物图照片和实验日志。如果有软件，附软件程序。
附录1 系统电路图

附录2 元器件清单
Comment
Designator
Quantity
Value
Cap
C1, C2,
2
22pF
Cap
C3
1
10pF
Cap
C4
1
10nF
Res
R1
1
1M
Res
R2
1
560
Res
R3
1
　1K
Res
R4
1
　8.4M
Res
R5
1
　500
Res
R6
1
50K
74LS04
U6A,U9A,U10A
3

74HC04
U1A
1

LM555
U2
1

1N4007
D3
1

1N4009
D1,D2
2

74LS00
U3A
1

74LS04
U4,U5,U7,U8
4

CD4511
U11,U12,U13,U14
4

数码管
U15,U16,U17,U18
4

SW_PB
S1
1

11.0592M
Y1
1

附录3实物照片