1、編號本科生課程設計報告題目：簡易數顯式電容計的設計學院專業學 號 學生姓名 指導教師 二一年七月簡易數顯式電容計的設計一：設計任務和要求1.測量范圍為1999nF。2.用三位LED數碼管顯示測量結果。3.具有超量程指示。4.能自動地進行連續測量。測量周期為4秒，測量結果保持2秒左右。二：簡易數顯式電容計的組成和工作原理振蕩器計數器顯示譯碼電路超量程指示電路控制電路CT轉換電路1-1 簡易數顯式電容計的組成框圖數顯式電容計具有測量速度快，讀書方便等優點，正在逐步取代傳統的電容測試方法。簡易數顯式電容計的框圖如圖1-1所示，它由CT轉換電路，振蕩器，控制電路，譯碼顯示電路和超量程指示電路等六部分組

2、成。1CT轉換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉換成脈沖信號，使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。單穩態觸發器有定時時間正比于定時電容的關系，因此可以用單穩態觸發器實現此功能。2.振蕩器產生矩形脈沖,讓計數器在CT轉換期間計數。如果Cx大，則Tx大，那么在Tx期間計數器計的脈沖數就多，而計到的脈沖數多，代表Cx就大。只要調整好振蕩器的振蕩頻率，就可以使計數器計到的脈沖數（用十進制表示）就是被測電容的nF數。3計數器是三位十進制計數器。4顯示譯碼電路是把計數器計到的脈沖數用十進制數字顯示出來。5超量程指示電路的作用是當計數器計到的脈沖數超過999時，產生一個指示信號，即代表被測電容的電容量超過了9

3、99nF,此時顯示器的讀書已不是Cx的值。6 控制電路的作用是用來產生控制各部分電路正常工作的時序信號。如果用下降沿觸發單穩態電路，用上升沿使計數清零和超量程指示電路復位，測量過程的時序圖如下1-2所示。圖1-2 數字式電容計測量過程時序圖7設計時采用CMOS集成電路，電源電壓用+5V。三：單元電路的設計1CT轉換電路的設計在單穩態觸發器中，定時時間與電容成正比，例如，在用555定時器構成的單穩態觸發器中，有 tw =1.1RC式中R和C為定時電阻，電容。因此，在這里CT轉換電路采用單穩態觸發器。用555定時器構成的單穩態電路如圖13所示，波形見圖14。圖中Tx =1.1RCx。圖13 轉換電

4、路圖CT轉換波形圖在電路中加入了由Cr和Rr組成的微分電路，這樣單穩態電路只要靠輸入V11的下降沿觸發，定時時間與V11的低電平寬度無關?？紤]到定時精度和測量速度，設定測量范圍內Tx的時間為0.1ms0.1s,，即取R=91K。2 多諧振蕩器的設計多諧振蕩器也用555定時器構成，電路如圖15所示。 圖1-5 多諧振蕩器 多諧振蕩器的振蕩周期為：T =0.7(R1+R2)C,在Tx內計數器計到的脈沖數N =Tx /T，即有：N=1.1RCx / T根據設計要求，N就是被測電容Cx的nF數，則有T =1.1*91*103*10-910-4s也就是說振蕩器的振蕩頻率約為10KHz。 根據振蕩器周期的

5、計算公式，先取C =0.01uF。那么R1+2R2=14.3K，取R1 =6.8K，則R2應為3.75 K。可以用4.7K的電位器作為R2來調整電容計的測量精度。3計數電路的設計（1）計數器的選用計數器采用。是三位BCD加法計數器，集成電路的引腳排列圖如圖17所示。圖1-6 MC14553引腳圖（2）MC14553功能說明MC14553邏輯結構示意圖如圖1-7所示。MC14553集成電路由三個同步級聯的下降沿觸發的BCD計數器，三個鎖存器以及分配鎖存器的多路傳輸器組成。此外，還有時鐘輸入端的整形電路，分配多路傳輸器的時序掃描電路和振蕩器電路，以及用顯示控制的數據選擇輸出， ，組成。圖1-7 M

6、C14553 邏輯結構示意圖 圖1-7中，振蕩器提供多路數據選擇器的低頻掃描時鐘脈沖，振蕩器的振蕩頻率取決于連接在引出端和之間的外接電容C1 的大小，若需外部時鐘，也可以從引出端處引入。振蕩器產生的掃描時鐘信號與三個位選擇輸出信號的時序關系見圖1-8所示。 在復位端“R”上施加“1”電平時，復位信號同時作用于BCD計數器，振蕩器和多路掃描電路，使得掃描電路處在初始狀態，掃描振蕩器禁止振蕩，同時置所有的三個位選擇輸出為“1”電平，從而不允許顯示。 當時鐘禁止端“INH”為“1”時，禁止時鐘脈沖“CL”輸入BCD計數器，計數器保持禁止前的最后計數狀態。輸入端的脈沖整形電路允許輸入上升時間或下降時間

7、很緩慢的信號輸入計數器并能可靠地工作。 當鎖存器的鎖存允許端“LE”為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態，保持原有的鎖存器內的信息。這時BCD計數器即使施加復位信號，鎖存器仍然保持原有的信息。若需將鎖存器內的信息清除，鎖存器“LE”端加“0”電平。MC14553電路還提供了一個溢出輸出端“OF”，計數器每逢輸入第1000個時鐘脈沖的上升沿時，溢出端“OF”輸出一個完整的脈沖，該脈沖結束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。（3）計數器電路的連接根據CT轉換電路在轉換期間的輸出是高電平，以及要用來控制計數器計數，可從表11中灰色的三行看出，將CT轉換電路的輸出加到“CL”端，計數脈沖從“INH”端引入，計數器其

8、他電路的連接電路如圖110所示。4顯示譯碼電路的設計（1）顯示譯碼器的選用顯示譯碼器選用CD4511，CD4511是BCD七段鎖存/譯碼器/驅動器，其引腳排列圖如圖1-9和所示。圖1-9 CD4511引腳圖CD4511具有內部抑制非BCD碼輸入的電路，當輸入為非BCD碼時，譯碼器的七個輸出端全為“0”電平，顯示器暗（又稱為消隱）。在MC14511的輸入端有四位鎖存器，LE為選通端。當“LE”為“0”電平時允許BCD碼輸入：當LE為“1”電平時鎖存。MC14511每段的輸出驅動電流可達25mA，因此在驅動LED時要加限流電阻。a b c d e f ga b c d e f ga b c d e

9、 f g16436 2 1 7 5 6 7 9MC14553MC145111415 910111213 15 1 2VDD接單穩態輸出VO1接多諧振蕩器 輸出V02清零信號超量程指示電路VDD 圖1-10 計數和顯示譯碼電路（2）顯示譯碼電路 計數和譯碼顯示電路如圖110所示，其中顯示譯碼器電路為掃描顯示電路（也稱為動態顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺惰性和發光二極管的余輝效應。在圖1-10中，在MC14553輸出個位的BCD碼時， =0，個位的數碼管在V1的驅動下，顯示個位的數字。在這期間與均為1，V2，V3截止，十位和百位的數碼管上沒有顯示。接著，輸出十位的BCD時， =0，

10、只顯示十位的數字。然后當=0時顯示百位的數字，再顯示十位的數字，就這樣的有周期性地掃描。當掃描頻率較高時，我們看到的三位穩定的顯示數字。在該電路中，由C1決定掃描頻率，故C1不能取得太大，不然數碼管的顯示會出現閃爍。（3）限流電阻的選取V C E =2V，則 顯示譯碼電路中的限流電阻，三極管的基極電阻和三極管的計算與選擇可按圖1-11所示的方法進行，設圖中三極管V工作在放大區， R=200，RB=2.6K，三極管的=20。 實際的顯示譯碼電路中，一個三極管要驅動一只數碼管，即要驅動七只發光二極管，而且在掃描顯示中，數碼管的每段電流要大一些。設每段電流為15mA,基極電流由MC14553的輸出驅

11、動電流限制，設為1.3mA。這樣，可算得R=133，取130，R3=1k，=1571.380，在這里，選用的三極管的值要大于80，ICM 要大于105mA。5超量程指示電路的設計超量程指示電路如圖1-12所示。圖中由或非門構成的是一個基本的RS觸發器。當MC14553在計數到1000個脈沖時，“OF”端 會輸出一個正脈沖，RS觸發器Q置1，LED亮，表示被測電容已超過999nF，這時的顯示器讀數已不再是被測電容的容量，在復位信號的作用下，Q端置0，等待下一次測量。 1-12 超量程指示電路6控制電路的設計根據數字式電容計的工作原理，控制電路實際上是一低頻信號發生器，振蕩周期為4秒，它的精度和穩

12、定度要求不高。因此，可用圖1-13所示的電路構成。 圖1-13 控制電路振蕩電路中在RS的條件下，振蕩周期的估算式為1.8即有 1.8RC=4s取C=0.1uF,則R取22M。 由于MC14553在高電平清零時，位選擇輸出端都為1，將使顯示器消隱，如果清零信號的高電平持續時間較長，會看到消隱現象。為避免出現這種現象，控制電路中通過Cr和Rr組成的微分電路把清零信號加到計數器清零端。這樣，計數器只是靠清零信號的上升沿清零，即使清零的高電平持續很短，靠人眼的視覺惰性，就不會覺察到有消隱現象。 四：安裝與調試1 按照設計好的電路圖，在面包板上連接好線路。2 在調試時，可以借助超量程指示電路，對各部分

13、電路進行檢查。3 在Cx處接入nF級校準電容，調節R2，使數碼管顯示的讀書與校準電容的容量一致。4 接上若干標稱值在量程范圍內的電容進行測量，并記錄測量結果。再接入若干標稱不在量程范圍內的大電容和小電容，注意觀察電容計的工作情況。五：元件清單R: 2008, 2.7K4, 6.8K1, 10K1,91K2 , 22M2 電位器：5KC：1036 ，1041 ，4741 555： 2， MC14553：1，MC14511：1，CD4001：1LED：1，共陰七段顯示器 CC-5101AG：3 PNP三極管：85504 六：實驗體會本設計只能測量nF級的電容，下面針對多量程進行設計。測試儀測量電容

14、的測量范圍為：100pF9900F，可分為8個量程。如圖所示為數字式電容測試電路。該測試儀由時基脈沖發生器、單穩態觸發器、加法計數器、譯碼、驅動器及LED發光數碼管等組成。 時基脈沖發生器由IC1b(1/2 556)及R6、R7、R8、W1、W2、C2等組成，其輸出的脈沖信號作為計數電路(IC3)所需要的計數脈沖。 單穩態觸發器IC1a(1/2 556)與R3R5、Cx(待測電容)等組成，其輸出的觸發脈沖的寬度為td=1.1(R3R5)Cx，待測電容Cx越大，則觸發脈沖的定時寬度越大，相應計數器IC3的計數就越多。通過量程選擇旋鈕，可讀出兩位顯示數字。 計數電路IC3采用雙BCD加法計數器CD4518，IC4