数字式电容测试仪.docx
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数字式电容测试仪
课程设计说明书
课程设计名称：
电路课程设计
课程设计题目：
数字式电容测试仪
学院名称：
信息工程学院
专业：
电子信息科学与技术班级：
学号：
姓名：
评分：
教师：
2014年10月12日
数字电路课程设计任务书
2014－2015学年第1学期 第1周－4周
题目
数字式电容测试仪
内容和要求
设计制作一电容式测试仪
【基本要求】
①设计一个能测量电容容量在100pF-100uF之间的测试仪
②用3位数码管显示
③多测量量程
【提高要求】
①超量程判断和显示
②击穿电容测试保护
进度安排
2014.9.1-2014.9.7：
布置课题，查阅资料，方案分析并进行电路仿真；
2014.9.8-2014.9.23：
完成系统的制作、焊接、调试；
2014.9.24-2014.9.28：
设计结果检查，完成设计报告。
学生姓名：
指导时间：
2014.9.1-2014.9.28
指导地点：
综合楼中506
任务下达
2014年9月1日
任务完成
2014年9月28日
考核方式
1.评阅
2.答辩□3.实际操作
4.其它□
指导教师
系（部）主任
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
电容具有隔直流同交流的能力，在电子电路中是十分重要的元件，电容的容值在电路设计中是一重要因素。
由于在使用一段时间后，电容容值与出厂是所标注的值有所偏差，这就需要设计仪器去测量电容容值。
传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观。
本课题主要介绍了数字电容测量仪的原理和设计思想。
它由测试电路和显示电路两部分组成。
在测试电路中555定时器做多谐振荡器，它通过电容配合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，通过计数器记数算出电容的值，最后通过数码管显示被测电容的容值。
该电容测量仪相对比较直观，且误差较小，将在电容测量方面显示出它读数方便，精确的优越性。
关键词：
测脉法，脉冲，数显，电容
一、绪论...........................................................................................5
1.1.课程设计的背景................................................................................5
1.2.课程设计的内容................................................................................5
1.3.课程设计的目的................................................................................5
1.4.课程设计指标与要求........................................................................5
二、总体设计方案...........................................................................6
2.1.设计原理框图....................................................................................6
2.2.方案设计............................................................................................6
2.3.各模板功能简介...............................................................................6
三、课程设计的步骤......................................................................7
3.1.555集成定时器功能表....................................................................7
3.2.多谐振荡器电路的设计...................................................................7
3.3.单稳态触发器电路的设计...............................................................8
3.4.数字显示电路的设计.......................................................................9
3.5.总电路图的设计.............................................................................10
四、电路的调试............................................................................12
五、结论........................................................................................14
六、参考文献..................................................................................15
七、附录........................................................................................16
附录一数电元器件清单.......................................................................16
附录二实物图.......................................................................................17
附录三原理图、仿真图和PCB版图...................................................29
一、绪论
1.1.课程设计的背景
很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。
固定电容的容量可直接从标称容量上读出，而可调电容的容量则不确定。
传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观，因此，设计一个简易电容测试仪作为测量工具是有必要的。
1.2.课程设计的内容
本次课程设计的内容是独立完成一个数字电容测试仪的设计，采用EWB电路仿真设计软件完成数字电容测试仪电路的设计和仿真调试，在微机上仿真实现数字电容测试仪的设计。
课程设计具体内容：
框图中的外接电容是定时电路中的一部分。
当外接电容的容量不同时，与定时电路所对应的时间也有所不同，即C=f（t），而时间与脉冲数目成正比，脉冲数目可以通过计数译码获得。
1.3.课程设计的目的
掌握multisim在电子设计中的仿真，分析，调试等应用。
掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。
熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理
1.4.课程设计指标与要求：
指标：
（1）被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内。
（2）设计测量量程。
（3）用3位数码管显示测量结果，测量误差小于20%。
课题任务要求：
1、画出总体设计框图，以说明数字电容测试仪由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。
并以文字对原理作辅助说明。
2、设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
3、选择合适的元器件，在EWB上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。
在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。
4、在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。
5、自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。
学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。
二、总体设计方案
2.1.设计原理框图
图1、电容测量仪原理框图
2.2.方案设计
利用单稳态触发器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽度，即控制脉冲的宽度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方波相与，就可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，在显示器中显示计数脉冲的个数。
如果计数脉冲的频率等参数合适，数字显示的数字N便与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.各模块功能简介
控制电路的功能是经单稳态触发器将被测电容转化成宽度与之成正比的单个脉冲。
多谐振荡器提供标准的时钟脉冲，以便将单稳态产生的脉冲宽度用标准时钟脉冲个数来表示。
计数显示电路显示单稳态触发器脉冲宽度对应的标准时钟脉冲的个数。
三、课程设计的步骤
3.1.555集成定时器功能表
我们给出555集成定时器功能表，如表1：
输入
输出
阈值输入端6
触发输入端2
复位端4
输出端3
放电管T端7
×
×
0
0
导通
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
1
截止
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
0
导通
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
不变
不变
表1 555集成定时器功能表
3.2多谐振荡器电路的设计
振荡器是数字电容测量仪的核心，振荡器的稳定度以和其所产生的基准频率的稳定度决定了数字电容测量仪的准确度，通常选用石英晶振构成振荡电路。
在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器。
555组成多谐振荡器的工作原理如下：
接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压UC由0按指数规律上升。
当UC≥2/3VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U0跃到低点平UoL。
与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。
随着电容C放电，Uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1、Uc2=0，基本RS 触 发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U0 由低点平UoL跃到高电平UoH。
同时，因Q’=0，放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容C充电。
电路又返回前一个暂稳态。
因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。
图2多谐振荡器波形图
多谐震荡周T为：
T=T1+T2。
t1为电容C上的电压由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为R2C。
T1可用下式估算
T1=（R1+R2）Cln2≈（R1+R2）Cln2
T2为电容C上的电压由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。
T2可用下式估算
T2=R2Cln2≈R2Cln2
所以，多谐振荡器的振荡频率周期T为
T=T1+T2≈（R1+2R2）Cln2
振荡频率为
f=1/T=1/（（R1+2R2）Cln2）
555构成的多谐振荡器电路如图3：
所设计的多谐振荡器电路仿真波形图如图4：
图4多谐振荡器电路仿真波形图
3.3单稳态触发器电路的设计
单稳态触发器所产生波形用于控制计数，由555定时器组成的单稳触发器，它既为下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。
单稳态触发器的工作特特性具有如下特点：
第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；
第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动回到稳态；
第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。
在图6所示的单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制的，如果开关J1断开，则经过反相器后，端口2处于高电平，那么稳态时这个555定时电路一定处于Vc1= Vc2=1、Q=0、V0=0的状态。
通电后电路便自动地停在V0=0的稳态。
当开关J1闭合时，经反相器后，端口2处于高电平，使555定时电路Vc2=0，锁存器被置1，V0跳变成高电平，电路进入暂稳态。
与此同时TD截止，Vcc经R3开始向电容Cx充电。
当充至Vcx=2/3Vcc时，锁存器被置0，输出V0=0状态。
图5 单稳态触发器原理波形图
单稳触发器输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间，即
Tw=RCxln3=1.1RCx （3－5）
设计的电路图如图6：
图6 单稳触发器电路图
单稳触发器仿真电路的输出波形如图7：
图7 单稳触发器仿真电路的输出波形图
3.4数字显示电路的设计：
我们采用74LS160作为计数器，74LS160引脚图如图8：
图8 74LS160引脚图
74LS160的 A、B、C、D为输入端，QA、QB、QC、QD为输出端，RCO为进位输出端，CLK为脉冲输入（低电平有效），ENP、ENT为计数制端，CLR为异步清除输入端（低电平有效），LOAD为 同步并行置入控制端（低电平有效）。
图9所示的是由3片74LS160组成的异步1000进制计数器，把个位计数器的进位输出端RCO接到十位计数器的CLK端。
第一片每计到9时RCO端输出变为高点平，下一个计数脉冲到达后，第一片计成0状态，而第二片计成1，可见，这3片74LS160不是同步工作的。
计数器的输出端接到只有四引脚的八段数码显示管上，数码管上显示的数值即为计数器所计脉冲的个数。
图9 计数器电路图
3.5总电路图的设计
上面我们已经的到由555组成的多谐振荡器的振荡周期为
T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2
为了便于计算，式中取R1=R2，则上式可化为
T=T1+T2=3R1Cln2
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Tw=T，即
1.1RCx=N3R1Cln2 若要显示器直接显示出Cx的值，则应该满足Cx=N，即 1.1R=3R1Cln2
本设计中，我们通过控制R的大小来设置俩个不同的档位，由一个单刀双掷开关来 控制。
我们取C=1uF，当R=1kΩ时测量电容范围为1uF-100uF,R=100kΩ时测量电容范围为0.01uF-1uF,通过 计算可得R1=1.1R/（3Cln2）≈526Ω。
把多谐振捣器的输出和单稳态控制电路的输出通过一个与门相与，然后再接到计数器电路的低位脉冲信号输入端CLK。
这样数码管上显示的数值就是被测电容的容值。
总电路图如图图10：
图10 数字电容测试仪总电路图
脉冲输入端的仿真波形如图11：
图11 脉冲输入端的仿真波形图
四、电路的调试
首先按照原理在仿真软件上绘制好图形，检查无误后即可调试。
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，使其振荡频率符合设计要求，我们采用用示波器检测波形进行调整。
1uF-100uF档位电路图调试如下：
我们将开关打到R=1kΩ调试 1uF-100uF档位，显示的数字为被测电容容值大小的R倍，将一个位于1uF-100uF范围的标准电容接到测试端，我们以80uF为例，接通开关S，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉冲宽度为Tw=RCxln3= 1.1RCx，它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，如果现实的数字不是80，则说明时钟脉冲的频率不符合要求，我们可以调节R1的大小重复上述步骤，直到符合要求为止。
经过调试我发现当R1=524时最为合适。
调试结果如图12：
图12 1uF-100uF档位调试结果图
误差计算：
（80-80）/100=0%<20%符合要求
0.01uF-1uF档位电路图调试：
我们将开关打到R=100kΩ测试0.01uF-1uF档位，调试同上，以被测电容大小为0.56uF为例，如果现实的数字不是56，则说明时钟脉冲的频率不符合要求，我们可以调节R1的大小重复上述步骤，直到符合要求为止。
经过调试我发现当R1=524时最为合
适。
调试结果如图13：
图13 0.01uF-1uF档位调试结果图
误差计算:
（0.57-0.56）/100=0.01%<20%符合要求。
五、结论
做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论以和应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。
通过这次对数字电容测量仪的设计与仿真，让我了解了设计电路的程序，也让我了解有关数字电容测量仪的原理与设计理念。
刚拿到这个题目，不知道该如何下手，通过查阅资料，和本组成员一起讨论以和从网上和图书馆搜集关于数字电容测试仪的资料，对其原理有了比较系统的认识，经过设计方案的比较，我们最终决定用单稳态触发器做时间控制回路，用多谐振荡器产生脉冲。
课程设计开始时，我们尝试用施密特触发发器做成的多谐振荡器做脉冲信号发生器。
但是，由于它产生的脉冲信号不够稳定，我们最终选择了555定时器组成的多谐振荡器，最后终于成功的达到了设计所要达到的要求。
回顾此次课程设计，至今我感慨颇多，我深深地感受到了自己所学知识的有限。
从查阅资料到电路设计，从理论学习到实践总结，在整整一个星期的日子里可以说是苦多于甜，但是的确可以学到很多很多的东西。
这次设计不仅仅是一次设计，它不仅巩固了我以前所学的知识，还让我学到了许多新的知识，知道了如何使用multisim软件，对一些芯片的功能也有了进一步的了解。
看到自己设计的电路，我觉得无比兴奋，这进一步加强了我的信心，让我对未来充满了憧憬。
六、参考文献
[1]邓谦，刘清平，张琦，黄丽贞.电子技术实践2.南昌.南昌航空大学信息工程学院电子实验实践中心.2010.3
[2]康华光.电子技术基础.模拟部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2012.3
[3]邱关源,罗先觉.电路（第五版）.北京.高等教育出版社.2011.10
[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京.高等教育出版社.2006.
[5]陈梓成.实用电子电路设计与调试.北京.中国电力出版社.2006.6
[6]杨绪东，刘行景，杨兴瑶.实用电子电路精选.北京.化学工业出版社.2004.3
[7陈大钦.模拟电子技术基础.北京.机械工业出版社.2006.2
[8]黄继昌，张海贵，徐巧鱼.数字集成电路应用集萃.北京.中国电力出版社.2008.4
[9]吴慎山.数字电子技术实验与实践.北京.电子工业出版社.2011.4
[10]戴伏生.基础电子电路设计与实践.北京.国防出版社.2004.6
七、附录
附录一数电元器件清单
1
电阻
100Ω
1
2
电阻
300Ω
1
3
电阻
1KΩ
1
4
电阻
10KΩ
2
5
电阻
1MΩ
1
6
电容
0.01uf
2
7
电容
0.1uf
1
8
电容
1uf
1
9
测试电容
100uf
1
10
测试电容
4.7uf
1
11
测试电容
0.047uf
1
12
滑动变阻
1KΩ
2
13
蜂鸣器
有源
1
14
芯片
NE555
2
15
芯片
7404
1
16
芯片
74S08
1
17
芯片
74LS160
3
18
芯片
74LS48D
3
19
数码管
共阴
3
20
LED
发光二极管
1
附录二实物图
数字式电容测试仪（数电）正面（失败品）
数字式电容测试仪（数电）反面（失败品）
数字式电容测试仪（数电）正面（成功品）
数字式电容测试仪（数电）反面（成功品）
附录三原理图、仿真图和PCB版图
原理图
仿真图
PCB版图
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