数电论文简易数显式电容计的设计.docx
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数电论文简易数显式电容计的设计
编号
本科生课程设计报告
题目：
简易数显式电容计的设计
学院专业
学号
学生姓名
指导教师
二〇一〇年七月
简易数显式电容计的设计
一：
设计任务和要求
1..测量范围为1—999nF。
2.用三位LED数码管显示测量结果。
3..具有超量程指示。
4.能自动地进行连续测量。
测量周期为4秒，测量结果保持2秒左右。
二：
简易数显式电容计的组成和工作原理
1-1简易数显式电容计的组成框图
数显式电容计具有测量速度快，读书方便等优点，正在逐步取代传统的电容测试方法。
简易数显式电容计的框图如图1-1所示，它由C—T转换电路，振荡器，控制电路，译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。
1．C—T转换电路的作用是把被测电容的电容量Cx转换成脉冲信号，使脉冲信号的宽度Tx正比于Cx。
单稳态触发器有定时时间正比于定时电容Ｃ的关系，因此可以用单稳态触发器实现此功能。
2．.振荡器产生矩形脉冲,让计数器在C－T转换期间计数。
如果Cx大，则Tx大，那么在Tx期间计数器计的脉冲数就多，而计到的脉冲数多，代表Cx就大。
只要调整好振荡器的振荡频率，就可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的nF数。
3．计数器是三位十进制计数器。
4．显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数字显示出来。
5．超量程指示电路的作用是当计数器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nF,此时显示器的读书已不是Cx的值。
6．控制电路的作用是用来产生控制各部分电路正常工作的时序信号。
如果用下降沿触发单稳态电路，用上升沿使计数清零和超量程指示电路复位，测量过程的时序图如下1-2所示。
图1-2数字式电容计测量过程时序图
7．设计时采用CMOS集成电路，电源电压用+5V。
三：
单元电路的设计
1．C—T转换电路的设计
在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用555定时器构成的单稳态触发器中，有
tw=1.1RC
式中R和C为定时电阻，电容。
因此，在这里C—T转换电路采用单稳态触发器。
用555定时器构成的单稳态电路如图1—3所示，波形见图1—4。
图中Tx=1.1RCx。
图1—3Ｃ—Ｔ转换电路
图１－４ C—T转换波形图
在电路中加入了由Cr和Rr组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入V11的下降沿触发，定时时间与V11的低电平宽度无关。
考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内Tx的时间为0.1ms~0.1s,，即取R=91KΩ。
2．多谐振荡器的设计
多谐振荡器也用555定时器构成，电路如图1—5所示。
图1-5多谐振荡器
多谐振荡器的振荡周期为：
T=0.7（R1+R2）C,在Tx内计数器计到的脉冲数N=Tx/T，即有：
N=1.1RCx/T
根据设计要求，N就是被测电容Cx的nF数，则有
T=1.1*91*103*10-9≈10-4s
也就是说振荡器的振荡频率约为10KHz。
根据振荡器周期的计算公式，先取C=0.01uF。
那么R1+2R2=14.3KΩ，取R1=6.8KΩ，则R2应为3.75KΩ。
可以用4.7KΩ的电位器作为R2来调整电容计的测量精度。
3．计数电路的设计
（1）计数器的选用
计数器采用ＭＣ１４５５３。
ＭＣ１４５５３是三位BCD加法计数器，集成电路的引脚排列图如图1—7所示。
图1-6MC14553引脚图
（2）MC14553功能说明
MC14553逻辑结构示意图如图1-7所示。
MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器，三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。
此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路，以及用显示控制的数据选择输出
，
，
组成。
图1-7MC14553逻辑结构示意图
图1-7中，振荡器提供多路数据选择器的低频扫描时钟脉冲，振荡器的振荡频率取决于连接在引出端③和④之间的外接电容C1的大小，若需外部时钟，也可以从引出端④处引入。
振荡器产生的扫描时钟信号与三个位选择输出信号的时序关系见图1-8所示。
在复位端“R”上施加“1”电平时，复位信号同时作用于BCD计数器，振荡器和多路扫描电路，使得扫描电路处在初始状态，扫描振荡器禁止振荡，同时置所有的三个位选择输出
~
为“1”电平，从而不允许显示。
当时钟禁止端“INH”为“1”时，禁止时钟脉冲“CL”输入BCD计数器，计数器保持禁止前的最后计数状态。
输入端的脉冲整形电路允许输入上升时间或下降时间很缓慢的信号输入计数器并能可靠地工作。
当锁存器的锁存允许端“LE”为“1”时，锁存器呈锁存状态，保持原有的锁存器内的信息。
这时BCD计数器即使施加复位信号，锁存器仍然保持原有的信息。
若需将锁存器内的信息清除，锁存器“LE”端加“0”电平。
MC14553电路还提供了一个溢出输出端“OF”，计数器每逢输入第1000个时钟脉冲的上升沿时，溢出端“OF”输出一个完整的脉冲，该脉冲结束于上述条件下输入时钟的下降沿。
（3）计数器电路的连接
根据C—T转换电路在转换期间的输出是高电平，以及要用来控制计数器计数，可从表1—1中灰色的三行看出，将C—T转换电路的输出加到“CL”端，计数脉冲从“INH”端引入，计数器其他电路的连接电路如图1—10所示。
4．显示译码电路的设计
（1）显示译码器的选用
显示译码器选用CD4511，CD4511是BCD七段锁存/译码器/驱动器，其引脚排列图如图1-9和所示。
图1-9CD4511引脚图
CD4511具有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非BCD码时，译码器的七个输出端全为“0”电平，显示器暗（又称为消隐）。
在MC14511的输入端有四位锁存器，LE为选通端。
当“LE”为“0”电平时允许BCD码输入：
当LE为“1”电平时锁存。
MC14511每段的输出驱动电流可达25mA，因此在驱动LED时要加限流电阻。
图1-10计数和显示译码电路
（2）显示译码电路
计数和译码显示电路如图1—10所示，其中显示译码器电路为扫描显示电路（也称为动态显示电路）。
扫描显示的基本原理是利用人眼的视觉惰性和发光二极管的余辉效应。
在图1-10中，在MC14553输出个位的BCD码时，
=0，个位的数码管在V1的驱动下，显示个位的数字。
在这期间
与
均为1，V2，V3截止，十位和百位的数码管上没有显示。
接着，输出十位的BCD时，
=0，只显示十位的数字。
然后当
=0时显示百位的数字，再显示十位的数字……，就这样的有周期性地扫描。
当扫描频率较高时，我们看到的三位稳定的显示数字。
在该电路中，由C1决定扫描频率，故C1不能取得太大，不然数码管的显示会出现闪烁。
（3）限流电阻的选取
VCE=2V，则
显示译码电路中的限流电阻，三极管的基极电阻和三极管的计算与选择可按图1-11所示的方法进行，设图中三极管V工作在放大区，R=200Ω，RB=2.6KΩ，三极管的β=20。
实际的显示译码电路中，一个三极管要驱动一只数码管，即要驱动七只发光二极管，而且在扫描显示中，数码管的每段电流要大一些。
设每段电流为15mA,基极电流由MC14553的输出驱动电流限制，设为1.3mA。
这样，可算得R=133Ω，取130Ω，R3=1kΩ，β=15×7／1.3≈80，在这里，选用的三极管的β值要大于80，ICM要大于105mA。
5．超量程指示电路的设计
超量程指示电路如图1-12所示。
图中由或非门构成的是一个基本的RS触发器。
当MC14553在计数到1000个脉冲时，“OF”端会输出一个正脉冲，RS触发器Q置1，LED亮，表示被测电容已超过999nF，这时的显示器读数已不再是被测电容的容量，在复位信号的作用下，Q端置0，等待下一次测量。
1-12超量程指示电路
6．控制电路的设计
根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高。
因此，可用图1-13所示的电路构成。
图1-13控制电路
振荡电路中在RS＝Ｒ的条件下，振荡周期的估算式为
Ｔ≈1.8ＲＣ
即有 1.8RC=4s
取C=0.1uF,则R取22MΩ。
由于MC14553在高电平清零时，位选择输出端
~
都为1，将使显示器消隐，如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象。
为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。
这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会觉察到有消隐现象。
四：
安装与调试
1．按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路。
2．在调试时，可以借助超量程指示电路，对各部分电路进行检查。
3．在Cx处接入nF级校准电容，调节R2，使数码管显示的读书与校准电容的容量一致。
4．接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果。
再接入若干标称不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容计的工作情况。
五：
元件清单
R:
200—8,2.7K—4,6.8K—1,10K—1,91K—2,22M—2
电位器：
5K
C：
103—6，104—1，474—1
555：
2，MC14553：
1，MC14511：
1，CD4001：
1
LED：
1，共阴七段显示器CC-5101AG：
3
PNP三极管：
8550—4
六：
实验体会
本设计只能测量nF级的电容，下面针对多量程进行设计。
测试仪测量电容的测量范围为：
100pF～9900μF，可分为8个量程。
如图所示为数字式电容测试电路。
该测试仪由时基脉冲发生器、单稳态触发器、加法计数器、译码、驱动器及LED发光数码管等组成。
时基脉冲发生器由IC1b（1/2556）及R6、R7、R8、W1、W2、C2等组成，其输出的脉冲信号作为计数电路（IC3）所需要的计数脉冲。
单稳态触发器IC1a（1/2556）与R3～R5、Cx（待测电容）等组成，其输出的触发脉冲的宽度为td=1.1（R3～R5）Cx，待测电容Cx越大，则触发脉冲的定时宽度越大，相应计数器IC3的计数就越多。
通过量程选择旋钮，可读出两位显示数字。
计数电路IC3采用双BCD加法计数器CD4518，IC4、IC采用BCD-七段锁存、译码驱动器CD4518，发光数码管LED采用与CD4511相配的共阴极数码管。
调节电路中的电位器W1、W2可校正该测试仪，以便得到9.09kHz和0.909kHz的频率信号。
电路中将选择开关K2置于位置“l”，将电位器W1和电阻R6短路，调节电位器W2，使电路输出周期为1.1ms（9.09kHz）的信号；然后将选择开关K2置于位置“2”，调节电位器W1，使电路输出周期为11ms（0.909kHz）的信号。
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