简易数字电容表设计.docx
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简易数字电容表设计
电子技术课程设计
题 目:
简易数字电容表设计
学生姓名王民雄
专业自动化（工程方向）
学号222009322072054
班级2009级1班
指导教师黄华
成绩
工程技术学院
2011年12月
目录
摘要…………………………………………………………………………………2
1实验设计目的……………………………………………………………………3
2实验仪器与器件………………………………………………………………………3
3实验设计要求………………………………………………………………4
4实验方案论证……………………………………………………………………4
4.1设计思路………………………………………………………………………4
4.2总体方案………………………………………………………………………4
4.3设计系统……………………………………………………………………5
5实验元器件选择………………………………………………………………………5
6单元电路设计………………………………………………………………………10
6.1系统分析图……………………………………………………………………11
6.2标准脉冲产生电路…………………………………………………………11
6.3待测脉冲产生电路……………………………………………………12
6.4计数和显示驱动电路……………………………………………………12
6.5清零和锁存脉冲产生电路……………………………………………13
7实验仿真调试结果………………………………………………………………13
7.1系统仿真控制脉冲图………………………………………………………14
7.2不同待测电容仿真测试与结果分析………………………………………14
8实验实物焊接、调试与测试……………………………………………16
9实验总结体会………………………………………………………………………19
附录…………………………………………………………………………………‥20
参考文献……………………………………………………………………………‥22
简易数字电容表的设计与制作
王民雄
西南大学工程技术学院，重庆400715
摘要
下面论证设计的是一种精度较高，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，采用555芯片构成单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲宽度。
把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数，并送到锁存-译码-数码管显示就可以直接得到电容C。
一、实验设计目的
1、运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途和一定工程意义的电子装置。
2、深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。
3、训练培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。
二、实验仪器及器件
（1）直流稳压电源1台
（2）示波器1台
（3）万用表1台
（4）计算机1台
（5）MC14553（或4518）计数1块（或3块）
（6）CD4511译码1块
（7）LED3块
（8）四2输入与非门CD40931块
（9）NE555定时器（或NE556）2块（或1块）
（10）二极管、三极管若干
（11）电位器、电阻器、电容器若干
三、实验设计要求
（1）利用给定的元器件设计一个能测量并显示电容容值大小的数字电容表；
（2）用3位数码管显示；
（3）测量范围100pF—
pF，误差小于10%。
（4）在计算机上用仿真软件仿真优化。
（5）在万能板（孔孔板）上安装、调试。
（6）写出设计总结报告。
四、实验方案论证
4.1设计思路：
我们把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门信号控制计数器计数，计数后再运算求出C的值，并送显示，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，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。
4.2总体方案：
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标准脉冲。
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的容值。
或者把此脉冲作控制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。
4.3设计系统
:
。
五、实验元器件的选择
1.555定时器引脚功能：
555电路的内部电路方框图如图所示。
它含有两个电压比较器，一个是基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。
它们分别是高电平比较器C1的同向输入端和低电平比较器C2的反向输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。
C1与C2的输入端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。
RD是复位端（4脚），当RD=0，555输出低电平。
平时RD端开路或接Vcc。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
TD为放电管，当TD导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发产生器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲或波形变换电路。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
555定时器外引脚排列图
2.CD4518引脚图和功能:
CD4518，该IC是一种同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}。
该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。
另外，该CD4518无进位功能的引脚电路在第十个脉冲作用下，会自动复位，同时，第6脚或第{14}脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。
3.CD4511引脚图和功能图：
显示译码器CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图
CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。
锁存功能：
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
译码：
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
消隐：
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
4.CD4093引脚图和功能：
CD4093是CD系列数字集成电路中的一个型号，采用CMOS工艺制造。
CD40934与非门施密特触发器由4个施密特触发器构成。
每个触发器有一个2输入与非门。
当正极性或负极性信号输入时，触发器在不同的点翻转。
正极性（VP）和负极刑（VN）电压的不同之处由迟滞电压（VH）确定。
5.共阴极LED数码管
半导体数码管BS201的的每个线段都是一个发光二极管（LED）。
因此，也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。
发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同，半导体中的杂质浓度很高。
当外加正电压时，大量的电子和空穴在扩散的过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定可见光。
六、实验单元电路设计
6.1系统分析图（系统电路图见附录）
6.2标准脉冲产生电路
标准脉冲发生器由NE555构成输出周期为
的基准脉冲，其中高电平时间为
低电平时间为
.该数字电容表中闸门信号的宽度
就等于控制脉冲的高电平时间，设置
那么闸门信号闸门内有多少个基准脉冲，电容值就为多少。
该标准脉冲的周期为
。
图2标准脉冲产生电路
6.3待测脉冲产生电路
控制脉冲发生器同样由NE555构成输出高电平时间为
或
的矩形脉冲作为闸门信号。
以
为基准可知
则
通过仿真将其修正为14.2K
选取
；以
为基准可知
则
通过仿真将其修正为14.2M
选取
。
图3待测脉冲产生电路
6.4计数和显示驱动电路
CD4518是十进制同步加法计数器，内含两个单元的加法计数器，在仿真的时候因为是单个输出，所以需要三块4518完成串联计数。
因为4518并没有进位端，故将Q4接到的Enable端作为高位的进位端，同时将高位的CLK端接地，消除其作用，在个位的计数器CLK端接入标准脉冲输入，Enable端接待测脉冲，使4518只有在待测脉冲的高电平期间完成计数，在低电平时禁止计数。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码——七段码译码器，特点是具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300
的限流电阻。
4511的消隐端（BI）和测试端（LT）接上高电平时不起作用，LE锁存端接上锁存信号，即只有在待测脉冲的下降沿才会把计数到的数据送入4511，在4518计数的过程中，4511一直锁存，数据保持上一个直到待测脉冲的下降沿到来送入新的数据。
图4计数和显示驱动电路
6.5清零和锁存脉冲产生电路
当待测脉冲上升沿到达时，经一个微分电路当作清零信号，再用两个反相器和一个微分电路产生锁存信号，从而实现清零和锁存信号的产生和分离。
图5清零和锁存脉冲产生电路
七、仿真调试结果
7.1系统仿真控制脉冲图
图7系统仿真控制脉冲结果
从上到下依次是标准脉冲信号，MR清零脉冲信号，待测脉冲信号，LE锁存脉冲信号。
7.2不同待测电容仿真测试与结果分析
图9Cx=17pf的仿真结果
图10Cx=100pf的仿真结果
图11Cx=500pf的仿真结果
图12Cx=850pf的仿真结果
图13Cx=100nf的仿真结果
图14Cx=500nf的仿真结果
图15Cx=850nf的仿真结果
8、实物系统焊接、调试与测试
8.1实验元件清单
表1元件清单表
序号
元件名称
数量
序号
元件名称
数量
1
NE555
3
10
75K
1
2
CD4518
3
11
25k
1
3
CD4511
3
12
1k
3
4
4093
1
13
330
22
5
6.5M
1
14
LED数码管
3
6
2.2M
1
15
0.01uf
2
7
100pf
1
16
100pf
3
8
57K
1
17
万用板
1
9
33k
2
18
8.2实验仪器
烙铁、焊锡、数字万用表、双踪示波器、稳压电源。
8.3焊接
首先将要焊接的主要元件在万用板上排列，大致计划好各个单元电路所占的面积以及各个单元电路之间的连接关系（尽量使焊接简单，方便测试和检查错误）。
接下来开始固定单元电路主器件的管座。
然后对照电路图将各个分立元件焊到万用板上，并用导线参照电路图将管脚和分立元件连接起来，期间要用万用表二极管档仔细测量管脚之间的导通和短路的情况，如果有短路的情况，则应立即更正。
8.4调试与测试
1.检查线路
在细心安装焊接好电路完毕后，我们首应该检查线路接线是否正确，用万用表一次检查电路是否存在虚焊、漏焊以及短路等情况。
2.通电检测
将焊接完电路的最终输入输出端分别接上5V电压，检查数码管是否能够正常显示数字，手摸各元器件看是否发烫，如果出现异常，立即关掉电源，待故障排除后才可以重新通电。
然后再测量各个单元电路，各元器件电压，以保证元器件能正常工作，看最终是否能达到预期要求的效果。
3.单元调试
先检查开关量程选择和电容检测电路，看所提供的电压是否为工作电压，用万用表测量一下，看各元器件是否得电，检测555定时器构成的多谐振荡电路，看其是否能为计数器提供正弦波。
用示波器观察单稳电路部分的输出是否得到理论波形。
4.总体测试
先接通电源，先Cx不接电容，看数码管是否显示最大数值，然后把Cx之间的导线短接，看数码显示是否为0。
本电路采用逐步调试的方法。
在调试之前，对照原理图，检查装置中的各个元件和它们相互的连接关系是否正确，并确保装置中无漏焊或虚焊等错误现象。
5.调试过程总结
（1）当整体电路焊接完成并检查无误，插好各块芯片后，接通电源发现无任何反应。
首先检查各个芯片是否正常供电，发现4093与NE556并未得电，于是再次检查芯片的电源与接地端是否接触良好。
找出断路处重新焊接牢固。
（2）实物焊接后发现数码管的显示与个十百位不相符，仔细对照仿真无误后，判定为MC14553分时输出信号脚的顺序错误，正确对应后即正常显示。
6.实验调试结果分析
取多个不同容值的电容测试，测试结果如下表所示：
被测电容（pF）
50
82
200
470
1000
2200
4700
10000
100000
测得容值（pF）
61
76
162
510
1100
2400
4600
113
100000
从测试结果来看，该设计nf测量误差为10%左右,pf量程误差为10%左右，与仿真结果比较误差增大很多，主要原因如下：
（1）在焊接的过程中，由于万用板的质量问题，造成许多焊盘脱落，因此会有一些管脚或者元件接触不良。
（2）有的电阻取值不是电阻标称值，需要两个或者更多电阻串联得到，无疑又增大了电阻的误差。
（3）实际取到的电阻与其标称值相差大，造成系统误差。
（4）标准脉冲电路的标准电容C1实际值与其标称值相差大。
（5）由于焊接技术有限，增大了测量系统误差。
九、实验总结体会
（1）总结:
简易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。
实际焊接时，能考查我们的焊接技术和细心程度，切忌不可操之过急，而适得其反。
当焊接完后还需要用各种方法来解决仿真时所不能发现的问题。
总而言之，整个设计过程是一个痛苦并快乐的阶段，十分值得我们细细品味。
（2）体会
通过这次课程设计，我发现了自己的很多不足的方面主要表现在：
第一点：
理论知识不扎实，与实际不能有效集合起来。
第二点：
设计过程中没有一个具体安排，整个过程很零散。
第三点：
焊接技术不熟悉，需要多锻炼。
附录1数字电容表方案一原理图
附录2所用原件列表
计数器CD4518
3块
译码器CD4511
3块
共阴极LED数码管
3块
四2输入与非门CD4093
1块
NE555
2块
电阻器
若干
电容器
若干
电位器
若干
开关
若干
参考文献
[1]童诗白《模拟电子技术》第四版高等教育出版社2006
[2]阎石《数字电子技术》第五版高等教育出版社2006
[3]何希才《新型集成电路及其应用实例》科学出版社2002
[4]杨刚、周群.电子系统设计与实践.北京：
电子工业出版社，2004.1
指导教师评语：
成绩评定：
指导教师：
年月日
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