1、北 華 航 天 工 業 學 院 電子技術 課程設計報告報告題目： 數字式電容測量儀 作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業： 電子信息工程 作者所在班級： B09212 作 者 姓 名 ： 惠歡歡 作 者 學 號 ： 20094021231 指導教師姓名： 崔瑞雪 完 成 時 間 ： 2011年6月1日 課程設計任務書課題名稱數字式電容測量儀的設計完成時間6.01指導教師崔瑞雪職稱講師學生姓名惠歡歡班 級B09212總體設計要求和技術要點設計一個數字式電容測量儀電路，要求如下：1能測量10F-990F范圍內的電容量。2用兩只LED數碼管構成數字顯示器。數碼管用來顯示后兩位，均用十進制數表示，

2、即數字顯示器可顯示出的最大數字和最小數字分別為99和0。|3數字顯示器所顯示的數字N與被測電容量CX的函數關系是 N=Cx/(10F)4在正常工作條件下，測量電路接上CX后數字顯示器便可自動顯示出數字，即不需要測試者進行清零、啟動之類的操作，便可正常顯示。響應時間Tx不超過2s，即接上CX后，在2s之內，顯示器所顯示的數字N符合上述函數關系，其誤差的絕對值在給定器件的前提下盡量小。5、在正常測量范圍內,顯示數目應當清晰,但允許有所閃動。6若被測電容超過990uF，則數碼管呈全暗狀態，發光二極管呈亮狀態，表示超量程。7測量電路應有被測電容器的兩個插孔，并標上符號“+”和“-”。“+”端電位瞬時值

3、不低于“-”端電位的瞬時值，而且它們之間的開路電壓瞬時值最大不超過5.5V。工作內容及時間進度安排第15周：周1-周4 立題論證方案設計周5預答辯第16周：周1-周3 仿真實驗周4-周5驗收答辯課程設計成果1與設計內容對應的軟件程序2課程設計報告書內 容 摘 要 電容具有隔直流同交流的能力，在電子電路中是十分重要的元件，電容的容值在電路設計中是一重要因素。由于在使用一段時間后，電容容值與出廠是所標注的值有所偏差，這就需要設計儀器去測量電容容值。傳統的測量方法都采用交流電橋法和諧振法，通常采用刻度讀數，此方法不夠直觀。本課題主要介紹了數字電容測量儀的原理和設計思想。它由測試電路和顯示電路兩部分組

4、成。在測試電路中555定時器做多諧振蕩器，它通過電容配合電阻充放電產生一系列的方波脈沖，通過計數器記數算出電容的值，最后通過數碼管顯示被測電容的容值。設計的電容測量儀的測量范圍是10uF990Uf，顯示的數值N是0099，數字顯示器所顯示的數字N與被測電容量CX的函數關系滿足關系 N=Cx/(10F)。當被測電容值超出990uf時，數碼管呈全暗狀態，發光二極管呈兩狀態，表示超出量程。該電容測量儀相對比較直觀，且誤差較小，將在電容測量方面顯示出它讀數方便，精確的優越性。關鍵字：測脈法 脈沖 數顯 電容 目 錄一、 概 述 1二、方案設計與論證2 1測脈寬法1 2測頻法2 3測壓法2三、單元電路設

5、計與分析31時鐘脈沖發生電路 32閘門信號產生電路 3 3計數脈沖產生電路44計數電路 55鎖存器 56譯碼器 6四、總原理圖及元器件清單 6五、結論 6六、心得體會 6七、參考文獻 6 一、概述本方案通過555定時器夠成的單穩態觸發器使被測電容Cx產生一個CP脈沖（閘門信號），使閘門信號控制另一個由555定時器構成的多諧振蕩器，使其產生與Cx相對應的一系列CP脈沖。通過74LS160|、74LS161計數器來測CP脈沖的個數，然后經過74LS273八D觸發器鎖存其數據，最后通過74LS48譯碼器，使七段數碼管顯示其數值N(N=Cx/10uf)。用兩只LED數碼管構成數字顯示器。數碼管用來顯示

6、后兩位，均用十進制數表示，即數字顯示器可顯示出的最大數字和最小數字分別為99和0。在正常工作條件下，測量電路接上CX后數字顯示器便可自動顯示出數字，即不需要測試者進行清零、啟動之類的操作，便可正常顯示。響應時間Tx不超過2s，即接上CX后，在2s之內，顯示器所顯示的數字N符合上述函數關系。Cx的測量范圍為10uF990uF,當Cx超出量程時七段數碼管呈滅零狀態，報警二機極管發光，表示超量程。 測量電路有被測電容器的兩個插孔，并標上符號“+”和“-”。“+”端電位瞬時值不低于“-”端電位的瞬時值，而且它們之間的開路電壓值最大不超過5.5V。二、方案設計與論證數字式電容測量儀的作用是以十進制數碼的

7、方式來顯示被測電容的值，從而判斷電容器質量的優劣及電容參數。由給出的設計指標，它的設計要點可分為兩部分：一部分是CX容值測試電路，另一部分是LED顯示電路，使數碼顯示與CX符合N=Cx/(10F)的函數關系。能滿足上述設計功能可以實施的方案很多，現提出下面三種參考方案。1測脈寬法測脈寬法的基本原理如圖1所示，利用單穩或電容充放電規律等，將電容容量變換成與其正比的脈沖寬度，即Tx與Cx成正比。只要把此脈沖寬度Tx和標準脈沖信號相與，便可得到與Tx成正比的計數脈沖fx，如果時鐘脈沖的頻率等參數合適，便可實現題中所要求的函數關系，因此本課題選擇了測脈寬法來測量電容值。圖1 測脈寬法的原理框圖2測頻法

8、測頻法的基本工作原理是：將圖1中的門控信號作為標準門控信號，將待測電容作為時鐘脈沖發生器的一部分，在一定條件下，發生器的輸出頻率與電容值是線性關系，只要標準門控信號參數合適，測出時鐘脈沖發生器的頻率就可測出電容值。3測壓法測壓法的基本原理是：把電容量通過電路轉換成電壓量，然后把電壓量經模數轉換器轉換成數字量顯示。典型測壓法設計方案如圖2所示。圖2測壓的原理框圖本設計選擇了測脈寬法，用閘門信號來控制時鐘信號產生的CP脈沖個數，使其來反映被測電容Cx的數值。用測脈寬法得到的數值比較容易通過數碼管來顯示，可省去數碼轉換而且誤差相對比較小。三 、單元電路設計與分析1時鐘脈沖發生電路圖3-a中的U1為由

9、555定時器構成的多諧振蕩器。它在接通電源后，不需要外加觸發信號，便能自動的產生矩形脈沖。此電路中用來產生時鐘脈沖信號（如圖3- b所示）。電源接通后，VCC通過電阻R1、R2向電容充電，當 =2/3VCC時，因為2端與6端相連，則有=V6，使比較器C1輸出翻轉，輸出電壓V0=0。同時，放電管T導通，電容C通過R2放電；當電容電壓下降至1/3VCC時，比較器C2工作，輸出電壓V0變成高電平，C放電終止，VCC通過電阻R1，R2又開始充電；周而復始，形成振蕩。其振蕩周期與電容充放電時間有關，充電時間為：，放電時間為，則時鐘信號一個周期為。 圖3-a時鐘脈沖發生電路 圖3-b時鐘脈沖信號產生波形

10、2閘門信號產生電路圖4-a中的U2為由555定時器構成的單穩態觸發器。2端作為觸發信號的輸入端，由U1產生的時鐘脈沖信號來提供。它有穩態和暫穩態兩個不同的工作狀態。在外界脈沖作用下，能從穩態翻轉到暫穩態，在暫穩態維持一段時間后，再自動返回到穩態。這段時間稱為暫穩態時間取決于外界R、C的值。即：。U2產生的信號用來作為門控信號。圖4-a產生波形圖 圖4-b單穩態觸發器產生波形3計數脈沖的產生電路根據計數原理列出參數關系：2 =，化簡得。調節、的值使其滿足關系。把由U1產生的時鐘脈沖信號與U2產生的門控信號相與，就能得到與成正比的計數脈沖（如圖5所示）圖5-a 計數脈沖的產生電路 圖5-b計數脈沖

11、產生的波形4計數電路74LS160是同步四位十進制加法計數器，74LS161是十六進制計數器。功能表均如圖6-a所示圖6-a 74LS160、74LS161功能表74LS160所計數為個位，74LS161所計數為十位。74LS160的EP和ET端都接高電平，74LS161的EP和ET端均接74LS160的進位端RCO。兩個計數器的CLK信號均由計數脈沖提供，MR和LOAD均接閘門信號，D3、D2、D1、D0均低電平。 圖6-b 計數器連接圖當閘門信號到來時，計數器開始工作。每來一個時鐘信號74LS160開始計數，當到9是進位信號為1，74LS161開始工作計一次數，直到閘門信號變為0時停止計數

12、。5鎖存器在電路設計中需要鎖存2個4位二進制數,由于 74LS273是八D觸發器，能同時鎖住8位數,所以選擇使用74LS273。它具有異步控制端的功能。其引腳圖如7-a所示。由于74LS273是在上升沿觸發,要想在閘門信號從1變為0的時候鎖存,就必須把閘門信號通過一個反相器后作為CLK信號。其MR端接高電平。被鎖存信號由D0到D7輸入，輸出結果由QO到Q7引出。如圖7-b所示。 圖7-a 74LS273引腳示意圖 圖7-b 74LS273接線圖6譯碼器此電路中譯碼器選用集成電路74LS48。它是BCD七段字型譯碼，具有滅零輸入端的功能。74LS48的引腳圖如下圖8-a所示。使用時3、5端都接高

13、電平，4端是滅零輸入端，當4為高電平時74LS48控制的顯示管呈暗狀態，不顯示數。ABC端接輸入信號，abcdefg輸出端用來驅動顯示器。如圖8-b所示。 圖8-a74LS48引腳圖 圖8-b用74LS48驅動顯示器連接7顯示器電路中顯示器用的是7SEG共陰極顯示器。器原理圖如圖9-a所示，公共端接地，當輸入端為高電平的時候，二極管亮，顯示相應的數字。 圖9-a 顯示器原理圖 圖9-b 74LS48驅動顯示器原理圖四總原理圖及元器件清單1總原理圖元件序號l Quantity Description Reference_ID Package 1 1uF C1 AXIAL180 2 10nF C2

14、,C3 0603 1 LED D11 30K R1 RES180 1 300 R2 RES180 1 3.84K R4 RES180 1 1K R5,R6, R17,R18 RES180 2 555 U1,U2 DIL08 1 74LS160 U4 DIL14 1 74LS161 U3 DIL16 1 74LS273 U5 DIL20 2 74LS08 U7A,U7B DIL14 2 74LS48 U9,U10 DIL16 1 74LS04 U6 DIL14 1 7474 U13 DIL142元器件清單五、結論經過Proteus7.5sp3仿真軟件仿真后，可以得到結論：當電容的取值在10uF990Uf時，LED用來顯示后兩位，均用十進制數表示，顯示的數值N是0099中的一值，數字顯示器所顯示的數字N與被測電容量的函數關系是 N=/(10F)。當被測電容值超出量程時數碼管呈滅零狀態，報警二極管發光。六、收獲與體會1.掌握了數字電容測量儀的工作原理。理論聯系實踐，實踐反饋理論，以前學過的知識得以回顧。2.但是調試遇到了很大的問題。輸入被測電容運行后，最初顯示的是正確容值，經過一段時間后，數碼管會發生跳變，有時跳變值跟理論值相差很大。但是最終通過我