數(shù)字電容測試儀

1、1 課程設計目的在實際的電子線路的設計中經(jīng)常要用到電容器，而電容器的容量值大小直接影響它在電路中的作用。電容容量的測量一般不夠直觀，為了方便人們對電容的直接測量，我們組通過查閱資料并結合自己所學的知識設計了一個能直接顯示被測電容容量大小的數(shù)字電容測量儀。2 課程設計指標（1） 被測電容的容量在0.01F至100F范圍內(nèi)。（2） 設計測量量程。（3） 用3位數(shù)碼管顯示測量結果，測量誤差小于10%。（4） 響應時間在2s內(nèi)3 課程設計原理3.1 設計方案利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電容器充放電規(guī)律，可以把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成對應脈沖的寬窄，即脈沖寬度與電容器容量大小成正比。只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即

2、時鐘脈沖相連，便可得到計數(shù)脈沖，把計數(shù)脈沖傳送給計數(shù)器計數(shù)，然后再給顯示器顯示。若時鐘脈沖的頻率等參數(shù)選擇得當，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字便是待測電容器容量的大小。我們之所以會選擇該方案是由于我們剛學到的數(shù)字電子技術書中學到了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的原理、用多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖的原理，考慮到選這個方案設計比較容易，而且所需電路圖及原理都比較熟悉，必要時還可以擴展量程，更重要的是該方案設計出來的數(shù)字測試儀測量的結果比較精確。3.2 設計原理框圖多諧振蕩器控制電路計數(shù)器顯示器待測電容清零模塊圖中多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，控制電路將待測電容的容量值轉(zhuǎn)化成相應寬度的脈沖，計數(shù)器記錄這段寬度脈沖數(shù)目，并由顯示器顯示出來

3、，清零模塊用于將計數(shù)器清零。4 設計的步驟和過程4.1 控制電路 控制電路的主要功能是根據(jù)被測電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制脈沖寬度 Tx，下圖所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖。該電路的工作原理如下：當被測電容 Cx接到電路中之后，只要接通開關 S，電源電壓Vcc 經(jīng)由微分電路C1、Rl和反向器，送給 555定時器的低電平觸發(fā)端TRI一個負脈沖信號使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，使其輸出端OUT由低電平變?yōu)楦唠娖皆摳唠娖娇刂婆c門使時鐘脈沖信號通過，送入計數(shù)器計數(shù)端暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1R3*Cx。然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)，其輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，從而封鎖與門，計數(shù)器停止計數(shù)?？?/p>

4、見，控制脈沖寬度 Tx與RCx成正比如果R固定不變，則計數(shù)時鐘脈沖的個數(shù)將與Cx的容量值成正比，從而達到測量電容的要求 。該輸出端輸出電壓波形如下圖： 由于設計要求 ，Cx的變化范圍為1uF100uF，且測量的時間小于2s，即 Tx<2s，也就是 Cx最大(999uF)時 Tx<2s，根據(jù) Tx=1.1R3*Cx可求得 ： R3=18.2K。取R=18K。微分電路可取經(jīng)驗數(shù)值，取 R1=1K，R2 =10K，C1=luF。同理可計算得，Cx的變化范圍為0.01uF1uF時 R3=180K。4.2 時鐘脈沖發(fā)生器 由555定時器構成的多諧振蕩器來實現(xiàn)時鐘脈沖的產(chǎn)生功能電路原理圖及其輸

5、出波形如下圖所示：振蕩波形的周期為： T=tp1+tp2=0.7(R4+R5)C3其中tp1=0.7(R4+R5)C3，tp2=0.7R4C3占空比為： q=tplT=(R4+R5)(R5+2R4) 因為時鐘周期T=0.7(R5+2R4) 是在忽略了555定時器THR腳的輸入電流條件下得到的，而實際上THR腳有 10uA 的電流流入因此，為了減小該電流的影響，應使流過的電流最小值大于 10uA 又因為要求 Cx =100uF時，Tx=2s，所以需要時鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生100脈沖即時鐘脈沖周期應為T=20ms即：T=tpl+tp2=0.02s 如果選擇占空比q=0.6，即 q=tplT=

6、0.6 由此可求得： tp1=0.6T=0.60.02s=0.012s tp2= T-tpl =(0.02-0.012)s=0.008s 取 C4=0.1uf，則 ： R5=tp20.7C=11.43K R5=tpl0.7C4-R4=5.713K 取標稱值：R5=5.6K，R4=12K 最后還要根據(jù)所選電阻R4、R5的阻值，校算流過R4、R5的最小電流是否大于 10uA 從圖可以看出，當C4上電壓uc達到 2V 3時，流過 R4、R5的電流最小，為: I min=(Vcc-2Vcc3)(R4+R5)=95uA 振蕩周期： T=0.7(R5+2R4)C4 =20.07ms 可見所選元件基本滿足設

7、計要求為了調(diào)整振蕩周期，R5可選用5.6K的電位器 4.3 計數(shù)和顯示電路 由于計數(shù)器的計數(shù)范圍為 1100，因此需要采用 3個二十進制加法計數(shù)器這里選用 3片74LS160級聯(lián)起來構成所需的計數(shù)器三片74LS160和數(shù)碼管連接如下圖:圖中開關為清零控制模塊，把它打向上面為清零，打向下面計數(shù)。5 設計電路的仿真和運行結果5.1 電路的調(diào)試 重按照整機電路圖接好電路，檢查無誤后即可通電調(diào)試計數(shù)和顯示電路只要連接正確，一般都能正常工作，不用調(diào)整主要調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器和控制電路.首先調(diào)試時鐘脈沖發(fā)生器，使其振蕩頻率復合設計要求用頻率計檢測電路的輸出端，最好用示波器監(jiān)測波形調(diào)整 電位器，使輸出脈沖頻率

8、約為 500Hz，接著調(diào)試控制器1uF100uF檔位電路圖調(diào)試如下：將一個100uF的標準電容接到測試端，接通開關s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是 100，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再復上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個100uF的標準電容接到測試端, 按一下開關 s,結果顯示如下圖:誤差計算: (98-97.8)/100*100%=0.2% <10% 符合要求。0.01uF-1uF檔位電路圖調(diào)試如下：將一個0.01uF的標準電容接到測試端，接

9、通開關s，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈寬Tx=1.1R3Cx，它控制與門使時鐘脈沖通過并開始計時如果顯示器顯示的數(shù)字不是0.01，則說明時鐘脈沖的頻率仍不符合要求，可以調(diào)節(jié) R3再復上述步驟，經(jīng)多次調(diào)整直到符合要求為止。當電路參數(shù)調(diào)試符合要求后,將一個0.21uF 的標準電容接到測試端,接通開關 s,結果顯示如下圖:誤差計算： （0.22-0.21）/0.21*100%=4.8%10 符合要求。5.2 結果及分析 經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當被測電容容量在1uF到100uF之間時，測量值比較精確，而當被測電容容量在0.01uF到1uF之間時，測量值誤差較大。這是由于前者計數(shù)脈沖數(shù)目多，整體的誤差就小

10、，而后者計數(shù)脈沖數(shù)目少，所以誤差就大。6 結論6.1 設計過程中遇到的疑難及解決辦法 在設計的過程中，各個模塊的設計都很順利，思路也很清晰，很快，模塊都做好了，但是到連接總電路時，問題卻來了，怎樣將脈沖信號和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號儀器連接到計數(shù)器端口，又怎樣控制計數(shù)器清零，面對困難，我們小組一起討論，最總決定用與門將脈沖信號和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器信號相與，輸出端連接到計數(shù)器的時鐘端口，令計數(shù)器開始工作，然后用雙向開關控制計數(shù)器的清零端，使其順利清零。 6.2 課程設計心得體會歷時兩周的課程實習結束了，這兩周的親身經(jīng)歷激發(fā)了我對電子產(chǎn)品設計的濃厚興趣。從任務書下發(fā)的那天開始，我就全身心投入了數(shù)字電容測量儀的設

11、計之中。首先我從網(wǎng)上和圖書館收集了一些關于數(shù)字電容測量儀的資料，對其原理有了比較系統(tǒng)的認識，而后我開始設計方案，經(jīng)過我和同伴的努力，我們最終決定用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作時間控制回路，因為它的暫穩(wěn)態(tài)有時間限制，且這個時間比較好控制和計算，加上它能利用對電容的充放電過程將電容的容量值轉(zhuǎn)化為相應的脈沖寬度。接著用多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器連接起來，就可以將電容容量值轉(zhuǎn)化為脈沖寬度，再通過計數(shù)器記錄脈沖數(shù)目，由顯示器顯示出結果。只要多諧振蕩器的頻率參數(shù)選取得當，那么顯示器顯示的值即為待測電容的容量值。設計好了方案，我著手計算參數(shù)的值，然后在EWB軟件上面模擬仿真，在幾天的不斷改進和嘗試

12、下，我終于把電路運行出來了，那一刻我感到十分欣慰。作為整個學習體系的有機組成部分，課程設計雖然只安排在兩周內(nèi)進行，但并不代表它不重要，它給我們提供了一個理論聯(lián)系實際的平臺。通過這個平臺我們能把課堂上學到的系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應用于實際設計工作，并從理論的高度對設計工作的現(xiàn)代化提出一些有針對性的建議和設想。實踐出真知，我們不但能通過實踐加強理論知識，還能從實踐中學到課本上學不到的知識。作為電子信息工程，一個工科性的專業(yè)，實際能力的培養(yǎng)至關重要，而這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學是遠遠不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這次課程設計是畢業(yè)設計的縮影，通過課程設計，讓我找出了自身狀況與實際需要的差距，我

13、想我會在以后的學習生活中及時補充相關知識，為將來畢業(yè)求職與正式工作做好充分的知識、能力準備，從而縮短從校園走向社會的心理轉(zhuǎn)型期。 這次課程設計達到了我專業(yè)學習的預期目的。在兩個星期的課程設計之后，我發(fā)現(xiàn)自己不僅實際動手能力有了提高，我獨自解決問題的能力也得到了很好的鍛煉，更重要的是通過設計，激發(fā)了我們對專業(yè)知識的興趣，并能夠結合實際存在的問題在專業(yè)領域內(nèi)進行更深入的學習。這次實習我收獲很多，這將對我的專業(yè)學習和以后的社會工作影響深遠，我感謝學院安排了這樣寶貴的實習機會給我們，讓我們能鍛煉自我。7參考文獻1、模擬電子技術基礎（第三版），童詩白主編，高教出版社2、數(shù)字電子技術基礎（第四版/第五版），閻石主編，高教出版社3、電子測試技術，金唯香、謝玉梅主編，湖南大學出版社4、電子技術課程設計指導，彭介華主編，高等教育出版社5、電子技術實驗指導書，李國麗、朱維勇主編，中國科技