三位数字电容表设计与制作报告.docx

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三位数字电容表设计与制作报告

常熟理工学院

电气与自动化工程学院

《电子技术》课程设计

题目：

3位数字电容表

姓名：

邓才明

学号：

040111102

班级：

1601112

指导教师：

陈景波

起止日期：

“3位数字电容表的设计与制作”课程设计

摘要……………………………………………………………………3

一、设计目的…………………………………………………………3

二、任务与要求………………………………………………………3

三、仪器与器件………………………………………………………4

四、方案的仿真与实物电路………………………………………4-11

1.555定时器组建单稳态……………………………………………………4-6

2.555定时器组建多谐振荡器………………………………………………6-9

3.74LS192、CD4511及共阴数码组建显示部分…………………………10-11

五、设计总结……………………………………………………........12

六、设计的收获及体会………………………………………………12

附录1、2、3………………………………………………………13-16

参考文献…...…………………………………………………………..16

3位数字电容表的设计与制作

邓才明

常熟理工电气与自动化工程学院，20130707

摘要

下面所设计的是一种精度一般，操作简便的电容测量仪。

此电容表设计是基于待测脉冲TW与待测电容C成正比用于控制清零和显示，标准脉冲用于计数--译码--显示系统就可以得到电容量的数据。

一、设计目的

根据常用的电子技术知识，以及可获得技术书籍与电子文档，初步形成电子设计过程中收集、阅读及应用技术资料的能力；熟悉电子系统设计的一般流程；掌握分析电路原理、工程计算及对主要技术性能进行测试的常见方法；最终，完成从设计图纸到实物搭建的整个过程，并调试作品。

二、任务与要求

1.电容表测量范围10pF～9990

F，使用3位数码管显示，可分为若干档位，每档的最小单位或倍率视档位而定。

2.电路设有启动按钮、复位按钮。

按启动按钮后，电路开始测试，测试结束，显示待测电容值。

按击复位按钮，电路复位，准备下一次测试。

3.电容测试值为档位倍率与3位数的乘积。

参考原理框图

图1-原理框图

参考原理：

采用间接法测量电容的容量。

电容器的充电时间和其容量大小有关，容量大的电容需要的充电时间长；容量小的电容需要的充电时间短。

当选定固定电阻后，充电时间就与电容容量大小成正比。

利用电容这一特性，将被测电容的充电时间作为门控信号，将基准脉冲发生电路所提供的脉宽作为测量尺度，在被测电容充电时间的同时，将控制闸门打开，让计数与显示电路统计并显示输入计数器脉冲的个数，电容充电结束的同时将控制闸门关闭，计数器显示的脉冲个数即为被测电容的容量。

三、仪器与器件

实物电路元件：

555定时器（2个）、74LS192十进制计数器（3个）、CD4511七段译码器、共阴极的数码管（3个）、7408N与门（1个）、排阻200欧姆电阻（3x7个）、

100千欧姆（2个）、2千欧姆、9.1千欧姆及150欧姆（各1个）、自动复位开关（2个）、电容10纳发（3个）、0.47微发及2.2微发（各1个）。

安装调试工具：

操作台、稳压电源、面包板、斜口钳、镊子、数字式万用表等。

四、方案的仿真与实物电路

1.555定时器组建单稳态

单稳态触发器的工作原理：

单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。

在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。

在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。

由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图2所示。

图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号Ui接在低电平触发端（2脚）

稳态时，输出Uo为低电平，即无触发器信号（Ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。

在Ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出Uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。

　　在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间T＝1.1RC，Uc按指数规律上升。

当电容两端电压Uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出Uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。

电路恢复到稳态Uo为低电平的状态。

当第二个触发脉冲到来，又重复上述过程。

工作波形如图2（b）所示。

输出电压Uo的脉宽tw=1.1RC。

由于R的取值在几百欧至几兆欧之间，电容取值在几百皮法到几百微法。

这种电路产生的脉冲宽度可从几个微妙到数分钟，精度可达0.1%。

由图2（b）可知，如果在电路的暂稳态持续时间内，加入心的触发脉冲（如图2（b）中的虚线所示），则脉冲对电路不起作用，电路为不可重复触发单稳触发器。

（a）单稳态触发器工作电路（b）工作波形

图2-555构成单稳态触发器

仿真图：

图3-单稳态仿真

图4-单稳态仿真示波器

2.555定时器组建多谐振荡器

多谐振荡器的工作原理

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称作多谐振荡器。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

由555定时器构成的多谐振荡器如图1（a）所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并联后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压Uc按指数规律上升，当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低电平，放电管VT导通，把Uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间Tph的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=0.7（R1＋R2）C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二个暂稳态，其维持时间Tpl的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝0.7R2C随着C的放电，Uc下降，当Uc下降到（1/3）Vcc时，输出Uo为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两

个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。

图1（b）所示为工作波形。

图5-555定时器构成多谐振荡器

根据Uc的波形图可以确定振荡周期为T=Tpl+Tph

Tph对应充电时间Tph=0.7（R1+R2）C

Tpl对应放电时间Tpl=0.7R2C

振荡周期T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2）C

振荡频率f=1/T

仿真图：

图6-555定时器构成多谐振荡器仿真

图7-555多谐振荡器仿真示波器

图8--单稳态与多谐振荡实物电路示波器观察图

理论分析注释：

由示波器观察可知，单稳态脉宽需大一点也即Tw=

大写好（

为待测电容），而同时多谐振荡

其中C为已知值（0.01微发）,又需要其频率高些也即

小些，使得计数更精确些，具体来讲就是一定有半个周期的时间未算入进去也即D

<

其中D计数的脉冲数也即显示数，要使D=

则

只能等于1，也即同增、同减，因此前后就有矛盾；解决方法只能大倍率K,使得

=1，倍率的增大，同时也就缩小了

测量的范围，由此可得若要精确的测量，必须增大位数。

3.74LS192、CD4511及共阴数码组建显示部分

（一）、计数脉冲的产生

通过555定时器待测电容C产生的单脉冲与555产生的标准的多谐振荡矩形脉冲与一下（7408与门），输送给第一个计数器的5号引脚。

图9-计数脉冲的产生

（二）、计数部分

计数部分选用三片74LS192十进制计数器来实现计数功能。

同时还需要考虑对MR清零处理，这也是部分的关键之一。

根据参考74LS192的芯片资料说明（见附录3）以及查阅相关图书电路设计了如右图的电路用来实现计数功能。

对于MR的清零处理，其实就是要在一个待测周期开始计数前产生一个短时间的高电平来实现清零，然后一直为低电位直到下一个周期脉冲开始为止的脉冲输入信号。

如下图：

图10-74LS192计数部分仿真电路

图11-下拉电阻，使MR从低电平瞬间切换为高电平，异步清零，然后自动复位

注意分析：

此处的下拉电阻，把单刀开关起到了双刀开关作用，由低电平切换到高电平。

如果是下拉电阻，则可实现由高电平切换到低电平。

为数字电路中常用电路。

（三）、显示部分

此部分由CD4511七段译码器和共阴极数码管构成的，其芯片资料及说明见附录3

当时考虑过，用CD4511的5号引脚锁存使能端接个非门与单稳态的3号引脚输出端相接，这样显示最后不会上下跳动，但与此同时却会使MR异步清零不起作用。

因此还是没有采用此思路。

需注意的：

CD4511七段译码器常与共阴极数码管（LG5611AH）连接，若是共阳（LG5611BH）的就会出现问题。

五、设计总结

3位数字电容表的设计需要我们有足够的耐心和精力，要充分运用各种资源查找我们所需的资料。

仿真时，要学习用软件来模拟实际电路并能够通过现象来解决存在的问题。

如果不是焊板子，而是采用面包板搭接，一定要注意虚插。

更重要的是，不管是前者还是后者，在搭建时都应该注意电子工艺的一般方法，步步为营，各个击破，每个单元模块都要做好，个个模块弄好之后再系统连接起来。

一定要善于借助仪器帮助分析判断电路中所存在的问题，如活用万能表，欧姆档判断所有的高低电平是否共线，芯片之间引脚连接是否有虚断等（在检测时可以用铅笔标出，方便下次查找），电压档的使用，都非常有用；然后就是示波器，分析动态电位信息，但对于示波器自认为用的不是很上手；函数发生器的使用等，有这些仪器能让自己排除出许多可疑点，最终还是能找到原因的。

（同时也一定要注意正确使用仪器）

六、设计的收获及体会

得到了一次很深刻的锻炼，从仿真不出效果到最终的出效果，使己建立了信心；实物电路的波折不断，虚心探讨，主动请教，从无奈躁动、想放弃，到最后被迫熟悉仪器更多的使用，最后帮助2组检查排除错误的喜悦。

更值得庆幸的是，了解了一番电子设计的一般思路方法，方案的讨论仿真，实际电路的步步为营、个个击破，积极的坚持而不是维持，自信心的建立…..

附录1

图12-总的仿真电路

图13-仿真测试470nF电容

图14-仿真测试2.2uF电容

附录2

图15-实物电路测试2.2uF电容

图15-实物电路测0.47uF电容

附录3

图16-74LS192引脚分布图

图17-CD4511引脚分布图

参考文献:

[1]杨辉.简易数字电容表的设计与制作[J].西南大学工程技术学院,2007

[2]康华光.《模拟电子技术》（第四版）[M].高等教育出版社2006

[3]康华光.《数字电子技术》（第五版）[M].高等教育出版社2006