计量电子电路课程设计-数字式电容测量仪.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date计量电子电路课程设计-数字式电容测量仪计量电子电路课程设计-数字式电容测量仪数 字 式电容测量仪学院： 机械工程学院 专业： 测控技术与仪器班级： 05级2班 姓名： 学号：指导老师： 时间： 2007年12月26日摘要：本设计是基于555定时器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容，即是被测量的电容。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容值的不同而不同的，所以脉宽即是对应的电容值，其精确度可以达到0.1%。然后在电路中加入一个由LM741以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器，将单稳态触发器输出的信号滤波，使最终输出电压与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将输入到7448译码器中翻译成BCD码，输入到LED数码管中显示出来关键词：电容，555定时器，滤波器，线性，译码器，LED数码管Abstract：In this design,we use 555timer to consist resonancer and single steady trigger.Just use this system to measure the capacitance.The capacitance in single steady trigger just the one we should measure.The pulse input signal is produced by consist resonancer,The frequency of that signal can be choosed with different resistance and different capacitance,so we can confirm the bound of the unbeknown capacitance.Because output width of pulse turn on with the unbeknown capacitance ,so the width of pulse is parallelism the size of unbeknow capacitor.Its precision can reache 1%.Then add a rejector which is constituted by LM741 and one resistance and one capacitor.The rejector can filtrate the output of the single steady trigger.The last output voltage is linearity to the size of unbeknow capacitor.Input to encoder 7448,then will be translat into BCD code,which is input the number valve LED.From this the number could be displayed.Key words: capacitance, 555mer, rejector ,linearity, encoder ,mber valve LED目录一、测量系统的方案设计··············································41.1、测量部分的系统方案设计·····································41.1.1、恒亚充电法测量···················································41.1.2、恒流充电法测量···················································41.1.3、脉冲计数法测量···················································41.2、测量信号数字化系统方案选择································41.2.1、利用单片机进行编程翻译··········································41.2.2、利用译码器进行翻译··············································5二、单元电路的设计及原理·············································52.1、 电容值测量电路及原理·······································52.1.1、多谐振荡器电路图及工作原理·······································52.1.2、单稳态触发器电路图及工作原理·····································62.1.3、滤波器工作电路图及原理··········································82.2、模拟信号的处理以及数字化显示·····························9三、系统参数设定······················································12四、结论及心得体会····················································134.1、结论·····························································134.2、心得体会························································13参考文献··································································14附表：元器件明细表······················································14一 系统方案设计1.1 测量部分的系统方案设计1.1.1:恒压充电法测量。用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。1.1.2：恒流充电法测量。用恒流源对电容充电，此时电容的容量和充电时间是成正比的，所以可以利用AD或者比较功能同某个固定电压比较，来实现电容测量。测量所用的原始公式是： .所以。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来。由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量，精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。1.1.3：用脉冲计数法测量电容。由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号作为单稳态触发器的触发信号。根据电容的大小来调节占空比。LM741与两个电容以及一个电阻构成阻容有源滤波器。将单稳态触发器所产生的输出信号滤波成为稳定的输出电压。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法1.2 测量信号数字化系统方案选择1.2.1：利用单片机进行编程翻译。将测量得出的电压信号值，输入事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED数码显示管中，显示出对应的数据。选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计，操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计成本将大大提高很不经济，且测量环境要求较高。1.2.2：利用译码器进行翻译。将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。这里测量精确要求不是很高，故选择第二种方案。二 单元电路的设计及原理此方案主要分为两个方面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。2.1 电容值测量电路及原理2.1.1 多谐振荡器电路图及工作原理555定时器构成一个多谐振荡器，其电路图如图2-1-1所示：图2-1-1 555定时器构成多谐振荡器其电路工作原理是：接通电源后，电容C被充电，当上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容器充放电所需时间为:当放电结束时，T截止，将通过、向电容器C充电，由上升到所需的时间为：当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：2.1.2 单稳态触发器电路图及工作原理555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2（a）所示。其简化电路如图2-1-2（b）所示： 图2-1-2（a）555定时器构成第三稳态触发器电路图2-1-2（b）555定时器构成单稳态触发器的简化电路 其工作原理是：没有触发信号时处于高电平（），如果接通电源后Q=0=0，T导通，电容通过放电三极管放电，使=0，保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容充电，当上升到时，由于R=0,S=1锁存器置0，为低电平。此时放电三极管T导通，电容放电，保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态=0。若触发输入端施加触发信号（），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容充电，当充电至=时，电路的输出端电压由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则从零电平上升到的时间，即为输出电压的脉宽 通常R的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度。也可以保证测量的范围能够达到100pF100uF。2.1.3 率波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容有源滤波器。其电路结构如图2-1-3所示。图2-1-3 LM741组成的阻容滤波器 其工作原理是LM741可以对占空比为的信号进行平滑滤波，使最后产生出来的信号（即是图2-1-3中的 ）与被测量的呈线性关系。2.1.4 滤波器工作电路图及原理 测试部分所用的总的电路图如图2-1-4所示。图中的即是被测量的电容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为1518伏特之间。图2-1-4 测量电路总图2.2 模拟信号的处理以及数字化显示在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的BCD码送入LED数码管中，显示出来。其电路结构如图2-2-1图2.2给出BCD七段显示译码器7448的逻辑图。如果不考虑逻辑图中由G1G4组成的附加控制电路的影响（即G3和G4的输出为高电平），则YaYg与A3、A2、A1、A0之间的逻辑关系为： Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G3 A0 G9 A1 G10 A2 G11 A3 G12 G4 G5 G6 G7 G8 G1 G2 A0 A1 A2 A3图2-2-1 BCD七段显示译码器7448的逻辑图&&&&&&&&1111&1&1&1&1&1&1&&根据BCD七段显示译码器的逻辑关系式和逻辑图可列出真值表如表22LED数码管的构造和显示原理： LED数码管分为共阳极与共阴极两种，如图222（a）所示，内部结构如图222（b）（c）所示。ag代表7个笔段的驱动端，亦称笔段电极。DP是小数点。第3脚与第8脚内部连通，+代表公共阳极，-表示公共阴极。对于共阳极LED数码管（如图222（a）,（b）所示），将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接供电平时可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，-端接低电平时才能发光。 LED数码管的特点：1. 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。2. 发光相应时间极短（0.1us），高频特性好，单色性好，亮度高。3. 体积小，重量轻，抗冲击性好。4. 寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。5. 成本低。表22 BCD七段显示译码器的真值表数字输 入输 出A3 A2 A1 A0Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg字形01234567890 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 11011121314151 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0三 系统参数设定 系统的参数决定了系统测量的范围在触发器中，本设计在单稳态触发器中的电阻值取为47K, 由公式： 计算可得。被测电阻在100pF100uF内产生的脉宽为0.000047s0.47s。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz。即2Hz取多谐振荡器中的电阻值=150K。再由公式： 计算可得多谐振荡器中电容可以取为1.5uF。 在数字显示电路中，因为是使用了7448译码器译码，则相应的LED数码管选为共阴极数码管。其他元器件的取值以及相应的规格详见附录四 设计结论以及心得体会4.1 设计结论本设计主要应用于100pF100uF电容器的测量。设计中应用了单稳态触发器，多谐振荡器，滤波器，译码器，LED数码管显示器等等。测量比较精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容器测量。 4.2 设计心得体会这学期，我们进行了为期两周的电子课程设计。我所设计的课题是数字式电容测量仪，为此我查了许多资料。以前一直是被我奉若神明，有求必应的互联网，这次好像不行了。我在网上查了好多资料，但是都有一些问题，有的文不对题，有的前不搭后。有时候搜出来的根本就是一些莫名其妙的东西。这让我一度很郁闷。看见许多同学都在换题目，我也想放弃这个课题，但是我转念一想，我们本来就是学的测控技术与仪器专业，这个设计题目和我们的专业隔得很近。于是我痛下决心去了图书馆。在工科类图书室，面对着浩如烟海的书本，我才发现我几乎都不知道自己该找些什么东西。我因此而被深深震撼了：首先是觉得我们南华大学图书馆还藏有这么多的书。以前也常去图书馆，怎么就没有发现呢？然后就是觉得自己学识实在是太浅了，简直连人类知识的皮毛都还没有摸到，感觉自己还有太多的东西需要学习。借了两本书回来，一本是电子创新设计与实践，另一本是无线电元器件精汇。结合网上找的一些资料，再到学校正大门附近的那个新华书店去逛了一下，才找到了一些门路。最后还是翻了翻我们的数字电路、模拟电路、电路分析基础，才终于将电容的测量部分搞清楚了。通过这次的电子课程设计，我认识到了自己许多方面的不足：首先是课外电子电路知识的匮乏，简直就是一问三不知。其次是自己以前对理论知识的学习太过肤浅，一点都不深刻。虽然考试是通过了，但是没有理解太深，几乎就没有自己的一点思考。这就直接导致了不能对理论知识灵活运用。最后这次的电子课程设计使我第一次接触了设计这类工作，让我对设计也有了一个初步的认识，比如说对设计书的书写，目录的书写，设计报告书写所用的格式，书写的字体、字号都有了认识。在我们的日常生活中有很多与电子电路相关的，很普通很简单的设备，比如说：电子计算机、饮水机、可调亮度的台灯、电子手表等等。这些简单的设备，都有一个不简单的设计。在以后的生活中我们应该留心这些设备，多学习，多思考才能让自己更加理解理论知识，强化理论知识，才能逐渐提高自己的设计能力。参考文献 康华光电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006年 2 李军无线电元器件精汇北京：人民邮电出版社3 王松武，于鑫，武思军电子创新设计与实践北京:国防工业出版社2005年4 黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计北京:北京航空航天大学出版社，2006年5 及力，Protel 99 SE 原理图与PCB设计教程. 北京：电子工业出版社，2003附表元器件明细表序号名称、型号及规格数量(个)555定时器2LM741放大器13共阴极LED数码管447448译码器45R(150K)26R(47K)17R(220K)38C(1.5uF)79C(0.01uF)210C(50uF)211SW-PB4-