电阻电容综合参数测试仪.docx
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电阻电容综合参数测试仪
电子技术课程设计
论文
学校名称：
青岛大学
学院名称：
自动化工程学院
专业班级：
电气3班
学号：
200740600204
姓名：
王少真
2009年9月26日
一、设计和实验题目
电阻、电容综合参数测试仪
二、内容摘要
根据数字电子、模拟电子电路的设计、安装和调试方法，设计波形发生电路，数据选择电路，计数锁存电路，驱动译码显示电路四个单元模块。
其中以555定时器与RC相连构成多谐振荡器，产生三种不同频率的波形；以74LS90构成十进制计加法数器，用于计数脉冲的个数；以74LS194构成四位锁存器，通过锁存将计数值送至数码管显示；用CD4511构成数码管驱动译码电路，以驱动数码管显示；另外单刀双掷开关实现数据选择和译码显示功能，用手动控制。
根据各个不同功能的模块设计单元电路，在然后单元电路的基础上设计测量电阻、电容综合参数的测试仪，最后在计算机上用multisim模拟仿真，优化设计方案，再进行组装调试，测试相关性能指标，从而测出电阻电容的值。
三、设计任务及要求
（1）设计一个能在一定范围内能测量电阻、电容参数的电路；
（2）用数码管实时显示R或C的参数；
（3）用中、小规模集成电路（双列直插式）组件和阻容元件实现所选定的电路；
（4）在计算机上用multisim仿真优化；
（5）在面包板上安装、调试；
（6）写出设计总结报告。
四、主要技术指标
（1）测量范围：
R：
10kΩ~1MΩ；C：
10nF~1μF
（2）测试精度：
±10%；
（3）由数码管实时显示测试结果；
（4）分别用两种指示灯指示测试元件类型。
五、使用的主要仪器和仪表
1、仪器和器材
1）计算机1台2）直流稳压电源1台
3）示波器1台4）万用表1台
5）函数信号发生器1台6）面包板1套
7）剥线钳等工具1套
2、器件清单
1）集成芯片：
LM324、555定时器、74LS90、74LS194、CD4511；
2）共阴七段数码显示管（10脚）；
3）6V稳压管、二极管；
4）电位器：
1k、10k、100k、1M；
5）无极性电容：
10nF、100nF；
6）定值电阻器若干。
六、设计思路及原理电路
1、设计思路
利用多谐振荡器所产生的波形，可以把被测电阻和电容的大小转换成基准波的个数，即控制脉冲宽度Tx严格与Rx和Cx成正比；
根据公式：
T=（R1+2R2）Cln2
可知，当待测电阻Rx比电阻R1大的多而电容C不变时，Rx与周期T成正比；当R1和R2都固定不变时，待测电容Cx与周期也成正比。
故只要把此脉冲与频率固定不变的方波即基准脉冲相与，便可得到计数脉冲；设：
T0为基准脉冲的周期，即T0=（R5+2R6）Cln2；
T1为测电阻Rx脉冲的周期，即T1=（R1+2Rx）Cln2；
T2为测电容Cx脉冲的周期，即T2=（R3+2R4）Cxln2；
而，计数时间则由待测元件的脉冲控制，由于74LS194是上升沿有效的，故只计数在高电平时的半个周期内基准脉冲的个数；由多谐振荡器的占空比公式：
q=
当R1很小可忽略时，显然q近似等于50％，因此每次计数都是计半个周期内基准脉冲的个数。
则，待测元件产生的脉冲与基准脉冲相与可得：
=2N1或=2N2
其中，N1、N2都是计数脉冲的个数。
然后把计数脉冲送给计数器计数，然后经锁存电路、译码电路，最后驱动显示管显示。
合理设置基准脉冲的参数及单位，使数字显示器显示的数字N便是Rx和Cx的大小。
2、系统框图
3、单元电路的功能及指标
1）波形发生电路
由555定时器与RC相连构成多谐振荡器，其功能是产生三种不同频率的波形，基本原理图及输出波形图为：
多谐振荡器的电路图多谐振荡器的输出波形图
触发信号由电容器的充放电来提供。
所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。
充电回路是RA、RB和C。
此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到2vcc/3时,即输入达到高电平时,电路的状态发生变化，输出变为低电平，电容器开始放电。
当电容器放电达到vcc/3时,电路的状态又开始变化，如此循环。
电容器之所以能够放电，是由于放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器放电。
2）计数器电路
用74LS90构成十进制计数器。
注意：
清0方式及控制。
74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。
其引脚排列图和功能表如下所示：
74LS90的功能表
为了精确需显示每一位，因此需要4个十进制加法计数器，这里选用4片74LS90级联起来构成所需的计数器。
因为74LS90的异步清零端为高电平有效，因此，用控制脉冲的上升沿触发。
将74LS90的1号引脚clk1与12号引脚Q0相连，构成十进制计数器；11号引脚Q3作为进位信号接到高位的时钟信号端（即高位的14号引脚clk0）。
其电路图为：
计数器的电路图
3）锁存器电路
用4个74LS194构成四位锁存器。
功能：
锁存，送数。
若将计数器输出直接接译码显示，则显示器上的数字就会随计数器的状态不停的变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定显示最终测量结果，所以需要在计数和译码电路之间设置锁存电路。
锁存器选用4片4位锁存器74LS194，其工作状态也由控制器控制。
74LS194的引脚图锁存器的电路图
4）驱动译码电路
译码器选用4片CD4511，功能：
驱动4个共阴七段数码显示。
特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图LED引脚图
CD4511驱动译码电路图
5）数据选择
用单刀双掷开关手动控制，功能：
通过接红绿灯来指示被测量是电容还是电阻。
4、参数计算
1）电阻参数计算
根据公式：
=2N1，T0=（R5+2R6）Cln2，T1=（R1+2Rx）Cln2；
有=2N1，令R5=R6=330Ω，则R5+2R6≈1kΩ，C=10nF，R1=100Ω大小可忽略不计；则有
Rx=N1*kΩ
2）电容参数计算
基于电阻参数的计算，根据公式：
=2N2，T2=（R3+2R4）Cxln2；
有=2N2，令R3=100Ω大小可忽略不计，R4=10kΩ，即R3+2R4≈20kΩ，C=10nF；则有
Cx=N2*nF
此时，通过数码管显示的数值就是所测电阻或者电容的大小，单位分别是kΩ和nF。
5、完整电路
按照上述电路在面包板上安装、连线、调试，电源为+5V直流电，注意共地线；数码管要接保护电阻，否则容易烧坏；每个集成块都有电源端和接地端；对于不用的引脚要做相应的处理；手动控制开关选择测试元件的类型；最下面3个多谐振荡器中，左边为测电阻脉冲发生器，中间为测电容脉冲发生器，右边的作为基准脉冲发生器；往上4个74LS90级联构成的四位十进制加法计数器；再往上是4个74LS194级联构成的四位锁存器；接下来是4个CD4511级联构成的数码管译码驱动电路，用于驱动数码管显示所测数据；最上面是4个共阴七段数码显示管，在驱动电路的作用下显示数值。
七、组装调试
1、使用的主要仪器、仪表
1）计算机，用于前期仿真，以优化设计方案；
2）直流稳压电源，为电路供电；
3）示波器，用于观察波形，读取周期和频率，检查电路故障；
4）万用表，用于测量一般元件的参数，如电压、电流、电阻、电容等；
2、调试电路的方法和技巧
边安装边调试。
把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路，分别进行安装和调试，在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。
调试时应注意做好调试记录，准确记录电路各部分的测试数据和波形，以便于分析和运行时参考和撰写设计报告。
（1）通电前检查
电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。
（2）通电检查
接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。
如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。
（3）单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。
调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。
（4）整机联调
整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系，主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。
3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析
1）仿真测试数据：
1
2
3
4
5
6
实际电阻
1k
5k
10k
20k
50k
100k
测量电阻
1k
5k
9.4k
19.6k
47k
97k
误差比
0
0
6%
2%
6%
3%
实际电容
10nf
15nf
47nf
100nf
200nf
500nf
测量电容
10nf
14.5nf
45.4nf
98.8nf
197.6nf
493.4nf
误差比
0
3%
3.4%
1.2%
1.2%
1.32%
2）电路测试数据：
1
2
3
标准电阻
10k
47k
100k
测量电阻
9.2k
45.5k
98.6k
误差比
8%
3.19%
1.4%
标准电容
10nf
100nf
1uf
测量电容
9.2nf
91.6nf
975nf
误差比
8%
8.4%
2.5%
4、调试中出现的故障、原因及排除方法
1）电路不通，首先按照仿真电路图认真仔细检查电路，发现有多处接线错误，改正后重新测试，仍然不通，万用表测端点电压，发现某些引脚没有电压，重新检查线路或者更换元件，直至通为止。
2）没有输出波形，检查555定时器的连线，电源和共地以及电阻电容的选择或者更换555定时器。
3）数码管显示不全或不亮，检查数码管的连线，是否接有保护电阻，电源线和接地线是否接错，检查驱动电路是否有问题，将驱动电路所不用的引脚接地，防止干扰。
八、总结设计电路和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。
优点：
在误差允许的范围内基本上实现了电阻电容参数的测试，电路简单易懂，成本低功耗低，容易实现，所采用元器件的品种少、体积小且货源充足；便于生产、测试和维修。
缺点：
误差有些偏大，不能测量太大或太小的电阻和电容，电路性能不稳定，且存在大量的干扰。
核心及实用价值：
主要深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。
训练培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。
改进和展望：
改变参数以提高精确度和测量范围，减少干扰。
九、所需元件
1）集成芯片：
555定时器3个74LS904个
74LS1944个CD4511；4个
2）共阴七段数码显示管（10脚）4个
3）单刀双掷开关1个
4）定值电阻：
100Ω2个330Ω2个
1k4个10k1个
10k~500k不等（作为待测电阻）
5）无极性电容：
10nF6个1、100nF各一个（作为待测电容）
十、收获、体会
通过此次实验综合运用所学各科知识，涉及数字电子电路、模拟电子电路、电路及电子线路实验等的相关知识，综合性较强，结合所学知识设计出满足
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