2数字电容测量仪.docx
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2数字电容测量仪
GUIZHOUUNIVERSITY
实验报告
实验课程名称近代电子学实验
实验项目名称数字电容测量仪
专业班级电子信息科学与技术081班
学生姓名郎子龙
学号080712110069
指导教师李良荣
理学院
实验时间：
2011年3月30日
数字电容测量仪
一、实验目的
1、态译码显示的设计及应用
2、数字电容的测量方法
二、设计内容及要求
1、设计、安装一个自动数字电容测量仪
2、采用动态译码显示
3、测量范围1pF-1000μF;分为五挡即
1pf一999pf
1nf一9.99nf
10nf一999nf
1μf一99.9μf
10μf一999μf
4、测量精度≤5%
三、实验原理
简单的数字电容测量仪原理方框如图1。
图1
基准脉冲发生器产生一串精确的脉冲T1，送入闸门控制器中，但其通过控制器的数量受闸门脉冲Tc控制；而待测电容时间是通过放大器对待测电容积分，产生闸门控制脉冲Tc，显然:
Tc=T×N。
（式中N为计数脉冲）
本电路的关键，在于待测电容时间转换器的转换时间Tc的精度及基准脉冲T1的精度。
待测电容时间转换器可以通过积分运算放大器或触发单稳态电路来实现，本电路采用触发单稳态电路，其基本结构如图3-3所示。
图中，单稳态的稳态时间为:
Tc=1.1（R×Cx）
所以，Cx=（T×N）/（1.1R）
这样，N与Cx就成为对应关系，N的数值就代表了被测电容Cx的大小。
当选择不同的基准脉冲周期T和定时电阻R时，就可以得到不同的量程。
不同量程的基准脉冲周期T和定时电阻R，测量范围及倍率如下：
基准脉冲周期T
定时电阻R
测量范围
倍率
11μs
10M
1pf一999pf
×1pf
11μs
100K
1nf一9.99nf
×0.1nf
11μs
10K
10nf一999nf
×1nf
1.1ms
10K
1μf一99.9μf
×0.1μf
11ms
1K
10μf一999μf
×10μf
在单稳时间Tc结束后，计数器计数值通过分时传送方式，按个位、十位、白一位分别传送到对应的LED译码显示。
脉冲触发开关的作用是，产生一个周期较长（3s-5s）而脉冲宽度较窄（应能可靠地触发单稳态电路工作）的负脉冲，使待测电容时间转换器每隔一个周期测量一次从而实现自动测量。
四、电路的设计、安装及调试
1、由555定时器搭建多谐振荡器
其产生的波形一方面用于计数，另一方面作为单稳态电路的输入。
电路如图2所示：
图2多谐振荡器电路
其工作原理如下：
图3多谐振荡器波形
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R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。
其工作波形如图5所示。
2、由555定时器搭建单稳态触发器
所产生波形用于控制计数。
其电路图如图4：
图4单稳态触发电路
电路如图2.2所示，由555定时器组成的单稳触发器，它既为下一级的多谐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。
单稳触发器占空比为
为了使计数器在单稳触发器高电平时开始计数，应在单稳波形后加一级反相器。
由555组成的多谐振荡器的振荡周期为
为了便于计算，式中取
，则上式可化为
。
计数器在单稳触发器高电平时（经过反相器变换为低电平后）开始计多谐振荡器的周期数，满足下述关系式
即
若要显示器直接显示出
的值，则应该满足
，所以
3、总体框图
图5系统组成框图
4、总体电路图：
图6整体电路图
5、器件清单
器件名称
数量
器件称
数量
555定时器
1
74LS47
4
74LS373
2
7段数码管
4
74LS90
4
74LS00
2
五、实验研究与参考
1、主要元器件介绍
①555定时器
其中NE555我用做了产生单稳态触发脉冲。
其引脚图如图所示。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当
端接低电平，则时基电路不工作，此时不论
、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0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
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。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为
的情况下，555时基电路的功能表如表7—1示。
清零端
高触发端TH
低触发端
Qn+1
放电管T
功能
0
0
导通
直接清零
1
0
导通
置0
1
1
截止
置1
1
Qn
不变
保持
表7—1555定时器的功能表
②计数器74LS290
74290引角图
74LS290是异步十进制计数器。
其逻辑符号如下：
它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。
如果计数脉冲由CPA端输入，输出由QA端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CPB端输入，输出由QB～QD引出，即是五进制计数器；如果将QA与CPB相连，计数脉冲由CPA输入，输出由QA～QD引出，即得8421码十进制计数器。
因此,它又称为二-五-十进制计数器。
复位输入
R0
（1）R0
（2）
置位输入
R9
（1）R9
（2）
时钟
CPQA
输出
QBQCQD
HH
HH
××
L×
L×
×L
×L
L×
×L
HH
L×
×L
L×
×L
×L
×L
×H
LLL
LLL
LLH
计数
计数
计数
计数
表7—274LS290的功能表
2、总结
近代电子学实验是电子技术课程的实践性环节，这次的数字电容测量仪设计，不仅要综合运用数字电子技术基础的基本理论知识，而且还需要独立进行电路设计的能力，因此做好这个实验设计将受益非浅。
下面就本次设计的收获和体会做几点总结。
这次设计所用到的芯片基本上都是电子技术基础课程中所学过的，因此遇到的困难不是很多。
但如果涉及到未学过芯片，这时就要考察我们收集资料的能力，现在大、中规模的芯片很多，我们不可能把每个芯片的管脚都记住，但是解读芯片功能的方法是一样的，要综合分析它的功能表和输入输出的逻辑关系式，同时还要注意有的芯片的使能端，可以作为扩展端，这是我学习用芯片的一点体会。
实验的一个目的是创新能力的培养。
一个电路往往经过一些小的修改就能有其他的功能，要善于理论联系实际的展开问题，然后分析问题，解决问题。
这次实验中经过老师的提示，做了某些修改，使电路性能指标更加完善了。
通过这次实验，深化了所学的电子技术理论知识，最主要的是综合运用所学知识能力的培养，并掌握了一般小型电子产品的研制方法和步骤，同时增强了独立分析问题和解决问题的能力。
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