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1、2012级电子科学与技术专业数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计报告书课题名称数字电容测量仪的设计姓 名吴亚香学 号1212501-35学院通信与电子工程学院专 业电子科学与技术指导教师张学军2014年 6月 10 日一、设计任务及要求：设计任务：设计一个数字电容测量仪。要 求: (1) 被测电容的容量在0.01F至100F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5%。(4) 采用Multisim11进行仿真，验证和完善设计方案。指导教师签名： 2014年 月 日 二、指导教师评语：指导教师签名： 2014年 月 日 三、成绩 验收盖章 2014年 月
2、 日数字电容测量仪的设计1设计目的（1）掌握multisim12仿真软件的应用技巧。（2）掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。（3）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。2设计思路本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。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。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。3设计过程3.1设计框图多谐振荡器计数器数码显示器脉冲形成
3、电路微分电路外接电容自动调零图1 数字电容测量仪原理图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，振荡器的稳定度以及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构成的多谐振荡器如果图2所示。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UC2/3VCC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
4、入暂稳态。随着电容C放电，Uc下降到Uc1/3Vcc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，作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形如图3。图2 555组成多谐振荡器图3多谐振荡电路及输出波形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
5、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4所示的单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制的，接通开关S2，单稳态电路产生一个控制脉冲，输出脉冲的宽度等于暂稳台的持续时间，即Tw=1.1RCx=（35），它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，使得显示的数字为被测电容容值大小的R倍。图4 单稳态触发器电路原理
6、图3.4 计数电路的设计74LS160D是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。图5 计数电路原理图3.5 总体电路图图6 总体电路图4系统调试与仿真结果4.1系统调试1uF-100uF档位电路图调试：我们将开关S1打到R=1k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S2，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
7、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=515时最为合适。0.01uF-1uF档位电路图调试:我们将开关打到R=100k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=515时最为合适。4.2仿真结果当S1打到R=1k，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，仿真结果如下图：图7 被测电容为48uF的仿真结果当S1打到R=100k，即选择0.01uF-1uF档位时
8、，当被测电容为0.24uF时，仿真结果如下图：图8 被测电容为0.24uF的仿真结果4.3 仿真结果分析当S1打到R=1k，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，数码显示管显示的数字为48，不存在误差；当S1打到R=100k，即选择0.01uF-1uF档位时，当被测电容为0.24uF时，数码显示管显示的数字为25，存在4%的误差，但是是在误差的允许范围内。所以，设计的数字电容测量仪基本合格。5主要器件和仪器设备555定时器 2个定值电阻 6个74LS160D 3个74S08D 1个反相器 1个6 设计体会这次课程设计让我所学的知识得到了运用，让我的动手能力得到了提高。在做课程设计的过程中，我遇到了几个自己不能解决的问题，经过老师和同学的帮助，最终将问题解决。因此，我才知道自己的专业知识不够，而且我们所学的理论知识很重要，没有坚实的知识基础，是不能做好课程设计的。我认为，课程设计对于我们电子科学与技术专业的学习非常重要。我们所学的知识最终应用于实践，理论来源于实践，实践是检验真理的唯一标准。因此，我们在学习理论知识的同时，一定要注重实践。参考文献1 康华光.电子技术基础 数字部分（第五版)M. 北京: 高等教育出版社, 2006. 2金唯香， 谢玉梅主编. 电子科学与技术与技术. 长沙 ：湖南大学出版社，2004.