电子技术课程设计报告2.docx
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电子技术课程设计报告2
《电子技术》课程设计报告
题目简易数字式电容测试仪
学院电子与控制工程学院
专业建筑设施智能技术
班级32060902
学生姓名韦小东
学号3206090207
6月9日至6月15日共1周
指导教师（签名）
目录
Ø摘要………………………………………………………………………………3
Ø关键字……………………………………………………………………………3
Ø设计要求…………………………………………………………………………3
Ø第一章 系统概述………………………………………………………………4
1、系统设计思路与各模块划分……………………………………………………4
2、总体方案的选择及可行性分析…………………………………………………4
3、方案论证…………………………………………………………………………5
4、总设计原理框图………………………………………………………………….6
Ø第二章单元电路设计分析……………………………………………………7
1、555定时器………………………………………………………………………7
2、用555定时器构成的多谐振荡器………………………………………………9
3、用555定时器构成的单稳态触发器……………………………………………10
4、计数-锁存-显示模块………………………………………………………………11
Ø第三章 系统综述和总电路图…………………………………………………13
1、系统综述…………………………………………………………………………13
2、总电路图…………………………………………………………………………13
3、安装与调试……………………………………………………………………14
4、产品使用说明……………………………………………………………………14
Ø第四章 结束语……………………………………………………………15
Ø参考文献………………………………………………………………………15
Ø元器件明细表…………………………………………………………………16
Ø附图……………………………………………………………………………17
Ø鸣谢……………………………………………………………………………18
Ø收获与体会………………………………………………………………………19
Ø评语………………………………………………………………………20
简易数字式电容测试仪
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
。
其脉冲输入信号是用微分电路产生。
由于单稳态触发器的输出脉宽是根据电容
值的不同而不同的，所以脉宽即对应着电容值。
然后用555定时器形成多谐振荡器，用多谐振荡器输出时钟脉冲与单稳态输出相与产生计数脉冲，再将其用计数器计数连接至显示器即可。
如果将多谐振荡器和单稳态触发器各参数选取合适，则显示器显示数字即为电容值。
关键字
555定时器多谐振荡器单稳态触发器寄存器数码显示管微分电路
设计要求
1.测试电容容量范围为100PF～100μF；
2.应设计3个以上的测量量程；
3.用四位数码管显示测量结果
4.用红、绿色发光二极管表示单位。
第一章系统概述
1.系统设计思路与各模块划分
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。
该方案可大体上分为简谐振荡器输出时钟脉冲、555构成的单稳态触发器和计数-译码-显示等三大模块，时钟脉冲和单稳态触发器输出脉冲相与后送入计数器的cp输入端，然后计数器开始计数，经寄存器后输入数码显示管显示数值。
2.总体方案的选择及可行性分析
数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的值，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。
由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：
一部分是LED显示，另一部分就是要将Cx值进行转换。
能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：
方案一：
把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换成数字量进行显示。
可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：
tw=RC㏑3≈1.1RC。
从式中可以看出，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟着改变，由tw的宽度就可以求出电容的大小。
把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则Vo的平均值也不同，由Vo的平均值大小可以得到电容C的大小。
如果把平均值送到A／D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。
但是我们对A／D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。
方案二：
用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：
永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，然后测元件电流。
由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。
方案三：
像测量R一样，测量电容C的最经典方法是电桥法，如图1所示。
只是电容C要用交流电桥测量。
电桥的平衡条件是：
Z1*Zn*exp[j（φ1+φn）]=Z2*Zx*exp[j（φ2+φx）]
（图1）
通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。
根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可求出被测电容。
用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。
这样，电桥法不易实现自动测量。
方案四：
应用基本思想：
把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。
先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数—锁存—译码—显示系统就可得到电容量的数据。
其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率f是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。
因此本设计我们采用此方案。
3.方案论证
设计思路
本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。
同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。
用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。
或者把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—锁存—译码显示系统就可以得到电容量的数据。
外部旋钮控制量程的选择。
用计数器控制电路控制总量程。
4.总设计原理框图
（图2）
第二章单元电路设计与分析
1.555定时器
555电路符号如图3所示，如图4为555等效功能框图中包含两个COMS电压比较器C1和C2，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个组织相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。
三个电阻组成的分压网络为上比较器C1和下比较器C2，它们分别提供2Vcc／3和Vcc／3的偏置电压
555定时器的工作原理是：
当输入电压Ui6＜2Vcc／3，Ui2＜Vcc／3时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器C2同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器C2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器C2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS触发器被置位，输出电压U0等于1。
555定时器输出与输入的关系也可用功能表来描述，555定时器的功能表如表1所示
Rd
Ui6
Ui2
U0
T的工作状态
0
×
×
0
导通
1
＜2Vcc／3
＜Vcc／3
1
截止
1
＜2Vcc／3
＞Vcc／3
不变
不变
1
＞2Vcc／3
＞Vcc／3
0
导通
（表1）
由上表可知：
（1）．当输入电压Ui6＜2Vcc／3时，Ui2从＜Vcc／3变化到＞Vcc／3时，电压比较器C1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器C1的输出电压为高电平信号“1”，RS触发器处在保持的状态，保持Ui6＜2Vcc／3，Ui2＜Vcc／3时的输出状态，输出电压U0等于1。
（2）.当输入电压Ui2＞Vcc／3时，Ui6从＞2Vcc／3变化到＜2Vcc／3时，电压比较器C2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器C2的输出电压为高电平信号“1”，RS触发器处在保持的状态，保持Ui6＞2Vcc／3，Ui2＞Vcc／3时的输出状态，输出电压U0等于0。
（3）.当输入电压Ui6＞2Vcc／3，Ui2＞Vcc／3时，电压比较器C1反相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器C1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器C1的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”，RS触发器被复位，输出电压U0等于0。
（图3）
2.用555定时器构成的多谐振荡器
用555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如图4所示，其工作原理如下：
当接通电源Vcc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1和C2输出为1和0，使Uo=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。
Uc上升至2Vcc／3时，RS触发器被复位，使Uo=0，T导通，电容C通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Vcc／3时，输出Uo又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。
如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。
Uc将在Vcc／3和2Vcc／3之间变化，因而可以求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2：
T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C
T2=R2C㏑2≈0.7R2C
所以输出波形的周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2≈0.7（R1+2R2）C
振荡频率f=1／T≈1.44／[（R1+2R2）C]
占空比q=（R1+R2）／（R1+2R2）＞50％。
如果R1＞＞R2，则q≈1，Uc近似为锯齿波。
在本次设计中为了与后面单稳态中tw=1.1RC成整数倍，减小误差，故选取T=0.11ms，占空比56.25%。
故取R1=2K，R2=7K。
（图4）
3.用555定时器构成的单稳态触发器
用555定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图5所示，其工作原理如下：
接通电源瞬间，Vc=0，输出Vo=1，放电三极管T截止。
Vcc通过R给C充电。
当Vc上升到2Vcc／3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS触发器置0，输出Vo=0.同时放电三极管T导通，电容C放电，电路处于稳态，稳态时Vi=1.当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使Vo=1，电路进入暂稳态。
由于Vo=1，三极管T截止，电源Vcc可通过R给C充电。
当电容C充电至Vc=2Vcc／3时电路又发生翻转，输出Vo=0，T导通，电容C放电，电路自动恢复至稳态。
可见，暂稳态时间由RC电路参数决定。
若忽略T的饱和压降，则电容C上电压从0V上升到2Vcc／3的时间，即输出脉冲宽度tw为：
tw=RC㏑3≈1.1RC
由于本设计要求所测电容范围是100pf-100uf，并且要求有三个量程，因此可以将三个量程分别定为（100-9999）*1pf、（100-9999）*100pf、（100-9999）*0.01uf。
由于前面多谐振荡器输出周期为0.11ms，即和单稳态输出相与的时钟脉冲周期是0.11ms，本设计是用tw时间内时钟脉冲的个数表示被测电容的值。
则由公式tw=1.1RC可以计算出各量程的电阻R值分别为10K、1M、100M。
单稳态触发器可以由微分电路产生，如图6是产生低电平的微分电路，其中只要闭合开关s，即可产生一个很窄的低电平，在该低电平触发下触发器进入暂态，输出宽为tw的高电平。
（图6）微分电路
4.计数-锁存-显示模块
本设计中计数器选用74LS160，显示用LED数码显示管，由于显示管上数值跳动频率过快，因此在中间加上寄存器74175用以缓存数据
74LS160是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。
EP
ET
CP
功能
0
×
×
×
×
清零
1
0
×
×
↑
置数
1
1
1
1
↑
计数
1
1
0
×
×
保持
1
1
×
0
×
保持
74LS160的功能表如表所示：
4位集成寄存器74LS175
图9所示是由D触发器组成的4位集成寄存器74LS175的逻辑电路图。
其中，Rd是异步清零控制端。
D0—D3是并行数据输入端，CP为时钟脉冲端，Q0—Q3是并行数据输出端。
图9 ４位集成寄存器74LS175
该电路的数码接收过程为：
将需要存储的四位二进制数码送到数据输入端，D0—D3，在CP端送一个时钟脉冲，脉冲上升沿作用后，四位数码并行的出现在四个触发器Ｑ端。
第三章系统综述、总体电路图
1.系统综述
本设计用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。
同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。
用这个宽度的矩形脉冲作为闸门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的计数值即为被测电容值。
2.总体电路图
（图7）总电路图
3.安装与调试（在Multisim中仿真）
（1）按照整机电路图接好电路，检查无误后即可通电调试；
（2）从理论上讲，我们可以通过74LS160输出所测电容的大小，但是由于555单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短，我们几乎从显示器上无法确定单稳态负脉冲的到来，因此我们用了一个74LS175做成的锁存器，当555单稳态输出正脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制74LS175的CP脉冲，在555输出正脉冲时锁存器不输出数据，只有555单稳态触发器输出负脉冲时，控制74LS175的CP脉冲输出当前的数据；
（3）在测试电容的过程中，可能会由于电路的影响，输出的电容在某一个周期里误差会很大，我们可以连着测多组电容值，通过求平均值来确定电容的大小，电容的真实值等于显示器读取的平均值与相应量程的乘积。
调试正常后，选取了7个待测电容进行测量，数据如下表2所示。
表2
被测电容
标称值
测量值
测量误差
C1
100pF（101）
11*10pF
10%
C2
3300pF（332）
336*10pF
1.8%
C3
0.01uF（103）
10*0.001uF
0
C4
0.033uF（333）
34*0.001uF
3%
C5
0.68uF（684）
678*0.001uF
-0.29%
C6
2.5uF
246*0.01uF
-1.5%
C7
47uF
470*0.1uF
0
4.产品使用说明：
插上电容，注意量程选择旋钮周围档位有*1，*100，*0.01的三种倍数字样，当前数码管显示值乘以旋钮指针指向的倍数作为容值，然后看指示灯，若红灯亮，则单位为pF，若绿灯亮，则单位为uF。
第四章结束语
本设计完成题目所给的设计任务，设计了一台数字显示的电容测试仪，满足题目的基本要求和一部分发挥要求。
仪表有性能可靠、精度高、电路简单的特点。
但是这种把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量也有不足之处，主要是由于电路的影响，输出的电容在某一个周期里误差会很大。
也可以通过加入延时清零电路，设置更多的档位来减小误差，使其精度更高。
总体来说，本设计是成功的。
参考文献
1.林涛.数字电子技术.清华大学出版社.2006
2.杨刚／周群．电子系统设计与实践（第一版）.电子工业出版社．2004.
3.高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002
4.陈明义.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社.2002
5.崔瑞雪．电子技术动手实践．北京航空航天大学出版社．2007
元器件明细表
序号
元件
数量
序号
元件
数量
1
计数器74160
4
11
电容0.01uF
1
2
555定时器
2
12
待测电容插座
3
3
寄存器74LS175
4
13
电阻2K
1
4
数码管LED
４
14
电阻7K
1
5
反相器7404
1
15
电阻100M
1
6
与门7408
1
16
电位器200M
1
7
直流电压源12V
1
17
电位器2M
1
8
方波电压源5V
2
18
电位器20K
1
9
绿色发光二极管
1
19
示波器
1
10
红色发光二极管
1
20
单刀单掷开关
6
附图
几组测试结果的截图
（图8）160pF电容测量结果
（图9）18nF电容测量结果
鸣谢
长安大学电控学院
长安大学逸夫图书馆
长安大学建筑设施智能技术二班
长安大学楚岩老师和邓老师
收获与体会
回顾起此次课程设计，至今我感慨颇多。
从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，在整整两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是能学到好多东西，不仅可以巩固以前所学过的电子技术专业知识和仿真软件的基本操作，而且学到了很多在书本上学不到的知识。
此次课程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Multisim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式仪基本完成。
该测式仪达到了基本的技术指标，能够比较精确的测量100pF至100uF范围内的电容。
我们还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。
这次电子技术课程设计给了我很大的收获。
通过这次电子课程设计，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。
并且学会了面对再大的困难只要坚持下去就会成功的良好心态。
评语
（评语教师写）
评审人:
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