数字式电容测试仪的设计—-毕业论文设计.doc

SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec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数码管目录引言3第1章 毕业设计指标4第2章 毕业设计原理52.1 设计原理框图52.2 方案设计52.3 模块介绍52.3.1 控制器电路52.3.2 时钟脉冲发生器72.3.3 计数和显示电路8第3章 单元电路的设计103.1 直流稳压电源设计103.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路103.1.2直流稳压电源的原理框图分析103.1.3直流稳压电源特点113.2 产生波形设计方案113.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器113.2.2由555定时器搭建单稳态触发器13第4章 设计的步骤和过程154.1 设计制作的过程154.2 时钟及控制信号的关系等15第5章 设计的仿真与运行结果165.1 电路的调试165.2 仿真测量165.2.1 仿真测量实验一165.2.2 仿真测量实验二175.3 结果分析18第6章 芯片介绍206.1 555芯片功能介绍206.2 74LS160芯片介绍21第7章 结论237.1 设计过程中遇到的困难及解决办法237.2 毕业设计心得体会23第8章 参考文献24附录25附录A25附录B26引言随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在日常的电路工程或者是电路试验中，电容是一个最常见的元器件，实际应用中，对电容的电容值的准确度要求也是很高的。在实际操作中，对电容的测量存在许多麻烦，数值的表现也不够直观。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。第1章 毕业设计指标设计要求：1、基本部分(1) 自制稳压电源。(2) 被测电容的容量在0.01F至100F范围内(3) 设计两个的测量量程。(4) 用3为数码管显示测量结果，测量误差小于20%。2、发挥部分(1) 至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到100PF至100F范围内。(2) 测量误差小于10%。(3) 其它。第2章 毕业设计原理 2.1 设计原理框图图1. 电容测量仪原理框2.2 方案设计利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx严格 与 Cx成正比只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示 如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示器显示的数字 N便是 Cx的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。2.3 模块介绍2.3.1 控制器电路控制器的主要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度 Tx图2所示为单稳态控制电路的原理图该电路的工作原理如下：图2. 单稳态控制电路的原理图当被测电容 Cx接到电路中之后，只要按一下开关 S，电源电压Vcc 经微分电路、和反向器，送给 555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx然后单稳态电路又回到稳态，其输出端3变为低电平，从而封锁与门，停止计数。可见，控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比如果R固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比，可以达到测量电容的要求。由于设计要求 ，Cx的变化范围为 1999，且测量的时间小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999)时 Tx<2s，根据 Tx=1.1RCx可求得 ：取R=1.8K微分电路可取经验数值，取=1K，=10K，=l。2.3.2 时钟脉冲发生器这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图 3所示。图3. 电路原理图及其输出波形振荡波形的周期为： 其中，占空比为： 因为时钟周期 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的，而实际上 6脚有10的电流流入因此，为了减小该电流的影响，应使流过的电流最小值大于10。又因为要求 Cx =999时，Tx=2s，所以需要时钟脉冲发生器在 2s内产生 999脉冲即时钟脉冲周期应为T=2ms即： 如果选择占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，则 ： = 11.43K =-5.713K 取标称值：=5.6K，=12K 最后还要根据所选电阻、的阻值，校算流过、的最小电流是否大于 10uA 从图可以看出，当上电压达到时，流过、的电流最小，为: =95uA 振荡周期： 可见所选元件基本满足设计要求为了调整振荡周期，可选用5.6K的电位器2.3.3 计数和显示电路由于计数器的计数范围为1999，因此需要采用 3个二十进制加法计数器这里选用 3片74LS160级联起来构成所需的计数器一片74LS160和数码管连接如下图:图4. 74LS160和数码管连接图三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图如下图：图5. 三片74LS160和三个数码管连接出来的显示图第3章 单元电路的设计3.1 直流稳压电源设计3.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。（4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。3.1.2直流稳压电源的原理框图分析220V变压电路整流电路滤波电路稳压电路接负载图6. 直流稳压电源框图采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。3.1.3直流稳压电源特点采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。从电路中我们可看出，此电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与T2e点的电位进行比较（由于DZ1的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有T2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制T1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压稳定，Rp是一个可变阻器，调整它就可改变A点的电位（即改变取样值）由于T2e点的变化，T2c点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。图7. 直流稳压电源电路图3.2 产生波形设计方案3.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图2-3所示，它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。 图8. 多谐振荡器电路其工作原理如下：多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于 ，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要 ， 输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过 时(即U6和U2均大于等于 时)， RS触发器置 0，使输出电压Uo从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于 时，RS触发器置 1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为：工作波形如图9所示。图9. 多谐振荡器波形3.2.2由555定时器搭建单稳态触发器由555定时器构成的单稳态触发电路如图2-5所示，它可以产生占空比一定的脉波，此脉波用来控制计数。在单稳态触发电路后加反相器用来控制74273锁存计数值。单稳态触发器的工作原理如下：1稳定状态没有加触发信号时，输入为高电平。接通电源后，经电阻R对电容C进行充电，当电容C上的电压时，输出。与此同时电容C迅速放完电，不变。2触发进入暂稳态当由高电平变为低电平时，此时，输出由低电平跳跃到高电平。此时，电源经R对C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间内输入电压回到高电平。3自动返回稳定状态随着C的充电，电容C上的电压逐渐增大。当上升到时，输出由高电平跳跃到低电平。与此同时，C迅速放完电，。电路返回稳定状态。 单稳态触发器输出的脉冲宽度为暂稳态维持的时间（及占空比），它实际上为电容C上的电压由V充到所需的时间，可用下式估算: 式中R和C为外接电阻和电容。图10. 单稳态触发电路第4章 设计的步骤和过程4.1 设计制作的过程(1) 查阅资料，了解数字电容测试仪的基本工作原理和工作原理电路图，把整体电路图分解成一个个单独的模块。(2) 通过查阅集成块的参考书，了解各个模块中的集成块的构造就作用，对集成块的使用方法已经集成块的输入输出端以及集成块的进制有一定得了解。(3) 通过网络，下载EWB(Electronics Workbench)软件，通过网络教程对软件的使用方法进行学习，初步学会通过该软件设计电路图。(4) 根据整体电路的要求，设计出各个部分模块的电路，通过示波器的检查，确保各个模块正常工作。(5) 把设计好的各个模块组装成整体的电路，并且根据设计指标进行调试，知道出现预期结果为止。4.2 时钟及控制信号的关系等由于利用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄，即控制脉冲宽度 Tx严格 与 Cx成正比。因此，只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再送给显示器显示，这个时侯，如果时钟脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示器显示的数字 N便是 Cx的大小测量值用数码管显示及单位的确定，对不同的转换方法所得的结果有不同的测量方法。如将电容容量转换为电压，则可通过AD转换电路，将模拟电压转换为数字电压，再接至数码管显示。而频率的测量则可用计数器计数来实现，通过计算参数使待测电容与计数值满足某一函数关系，通过这个函数关系可表示出待测电容的大小。而测脉冲宽度法事实上与测频率法相同，脉冲作为门控信号，与时钟脉冲发生器产生的固定频率相“与”，待测电容容量越大，脉冲宽度越宽，则相“与”后产生的计数脉冲越多，再按照测频率法的方法就可以测量出待测电容的容量。第5章 设计的仿真与运行结果5.1 电路的调试重按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试计数和显示电路只要连接正确，一般都能正常工作，不用调整主要调试时钟脉冲发生器和控制器.首先调试时钟脉冲发生器，使其振荡频率复合设计要求用频率计检测电路的输出端，最好用示波器监测波形调整 电位器，使输出脉冲频率约为 500Hz，接着调试控制器将一个 100的标准电容接到测试端，按一下开关 s，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉宽Tx=1.1RCx，它控制与门使时钟脉冲通过并开始计时如果显示器显示的数字不是 100，则说明时钟脉冲的频率仍不符合要求，可以调节再复上述步骤，经多次调整直到符合要求为止。5.2 仿真测量5.2.1 仿真测量实验一当电路参数调试符合要求后,将一个300的标准电容接到测试端, 按一下开关 s,结果显示如下图:图11.仿真图误差计算：，符合误差在20%之内的要求5.2.2 仿真测量实验二开关3分别打开闭合一次，显示屏清零，然后在待测电容处连接一个假设电容值为521的电容，打开开关S，观察显示屏上所检测出来的数值，并与假设值比较，具体操作以后，显示如下图：图12.仿真图误差计算：，符合误差允许的范围。5.3 结果分析 通过上面两个数值的测量，可以得出此数字电容测试仪的设计是正确的，可以比较准确的测量出一个待测电容的电容值，并且能够将误差控制在很小的范围内。只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。经过调试，发现当被测电容容量在1到100之间时，测量值比较精确，而当被测电容容量在0.01到1之间时，测量值误差较大，并且显示方面也出现了一点问题。但被测电容要求在0.01到100之间，为此，在原电路基础上我们进行了改进，由于Tx=1.1RCx，当Cx在0.01到1之间时，只要将R扩大100倍，那么Tx将与Cx在1到100时一样，即Tx在两种情况下大小相等，于是只要增加一个小量程档，就能有效地解决这个问题。第6章 芯片介绍6.1 555芯片功能介绍  555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。 555时基电路的电路结构和逻辑功能    1.电路结构及逻辑功能 图13. 555电路结构和引脚图图13为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：    1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。    8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。    3脚：OUT（或Vo）输出端。    2脚：TR低触发端。    6脚：TH高触发端。    4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。    5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。    7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。    在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表6-1-1示。 表6-1-1 555时基电路的功能表 6.2 74LS160芯片介绍1. 74LS160芯片引脚如图6-2所示 图15. 74LS160芯片引脚图1）：同步置数控制端2）：异步置0控制端3）和：计数控制端4）：并行数据输入端5）：输出端6）CO：进位输出端2. 74LS160的功能表如6-2-1所示 表7-2-1 74LS160的功能输 入输 出说 明 CP CO0 × × × × × × × ×0 0 0 0 0异步置01 0 × × 1 1 1 1 × × × ×计 数1 1 0 × × × × × ×保 持1 1 × 0 × × × × ×保 持 0第7章 结论7.1 设计过程中遇到的困难及解决办法在设计的最初阶段，由于通过资料的查阅，对各个模块的电路图有了初步的了解，所以在设计的时候能够得心应手，特别在设计计数和显示电路模块的时候，设计过程比较流畅，第一天便完成了任务。但是在接下来设计控制器电路和时钟脉冲发生器电路时，遇到了一点点的小麻烦，由于设计这两个模块需要对555集成块进行连接，但是当时对555集成块理论知识的掌握不够全面，所以设计出来以后电路有问题，不能正常工作。所以我们决定先暂停设计，翻阅课本和在图书馆借来的资料，把555集成块的结构和功能研究了一遍，最后终于成功了设计出来，这也刚好验证了那句老话“磨刀不误砍柴工”。当把所有模块全部连接起来以后，运行该数字电容测试仪是，显示屏上一开始一直显示的是111，每次测试的时候都是从111这个数值的基础上开始累加。后来经过我们对电路的研究，发现没有设计调零电路，所以我们在电路图上设计了一个自动调零电路，这样，从111开始计数的问题就解决了。7.2 毕业设计心得体会此次毕业设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我们没有气馁，没有退缩，积极向老师请教，并且一遍又一遍的重复实践，直到我们期望的结果实现。事实也证明我们的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我们带来了成功的喜悦！通过多次的调试，此次设计的数字式电容测量仪圆满完成。该测量仪达到了基本的技术指标，能够较精确的测量0.01uF至100uF范围内的电容。但是由于量程较小，在实际生活中存在使用的局限性。不过同样可以在原电路上增强其指标，比如改变单电路中积分常数中的电阻值可以改变其量程。通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。第8章 参考文献1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高教出版社，2006：1129.2 阎石.数字电子技术基础.高教出版社，2006：66309.3 金唯香，谢玉梅.电子测试技术.湖南大学出版社，2005：154189.4 彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社，2006：1031175 李国丽，朱维勇. 电子技术实验指导书. 中国科技大学出版社,2005：1281466 李良荣.EWB9电子设计技术.机械工业出版社，2006：203225附录附录A整机的电路图如下：附录B元器件清单元器件名称大小数量555芯片2片74LS160芯片3片数码管3个电容0.1uF1个1uF1个0.01uF2个电阻1.8K1个180K1个12K1个电位器5.6K1个二输入与门1个非门3个单刀二掷开关3个SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec第 24 页 共 24 页