数字电容测试仪课程设计.pdf

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1、1 数字电子技术课程数字电子技术课程 设计报告设计报告 项目名称：数字电容测试仪项目名称：数字电容测试仪 班级：1611 电子 姓名：李瑞（2016111123） 程家豪（2016111104） 胡焱（2016111115） 胡永凯（2016111116） 指导老师：王正强 2 1.1 引言 电容器在电子线路中得到广泛的应用， 它的容量大小对电路的性能有重要的 影响， 此次我们的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。它由测试电路 和显示电路两部分组成。通过使用测试电路中 555 定时器做多谐振荡器，电容配 合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，再通过计数器记数算出电容的值，从而实 现数码管显示

2、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。 1.2 设计任务及要求 1.2.1 基本要求 (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 20%。 1.2.2 发挥部分（选做） (1) 另增一个测量量程，使被测电容的容量扩大到 100PF 至 100F 范围内。 (2) 测量误差小于 10%。 1.2.3 设计任务及目标 （1） 根据原理图分析各单元电路的功能； （2） 熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能； （3） 进行电路的装接、调试，

3、直到电路能达到规定的设计要求； （4） 写出完整、详细的课程设计报告。 21 设计原理 3 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。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 容值。或者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 计数脉冲送计数锁存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。 22 单元电

4、路设计分析 2.2.1 用 555 定时器构成的多谐振荡器 电路图及其输出波形如图 2 所示，其工作原理如下： 由图 2 所示，可以求得电容 C1 上的充电时间 T1和放电时间 T2： T1=（R1+R2）C 20.7（R1+R2）C T2=R2C 20.7R2C 所以输出波形的周期为 T=T1+T2=（R1+2R2）C 20.7（R1+2R2）C R1=4.7k，R2=12k，T2ms 振荡频率f=1T1.44（R1+2R2）C500Hz 占空比q= （R1+R2）（R1+2R2）58.2 定时电路 多谐振荡器计数器译码器数码显示器 微分电路 自动调零 图 1原理框图 被测电容 4 图 2

5、多谐振荡电路及输出波形 2.2.2 用 555 定时器构成的单稳态电路 用 555 定时器构成的单稳态触发器及其工作波形如图 3 所示，其工作原理如 下： 接通电源瞬间，Vc=0，输出 Vo=1，放电三极管 T 截止。Vcc通过 R 给 C 充 电。当 Vc上升到 2Vcc3 时，比较器 C1输出变为低电平，此时基本 RS 触发器 置 0，输出 Vo=0.同时放电三极管 T 导通，电容 C 放电，电路处于稳态，稳态时 Vi=1. 当输入负脉冲时，触发器发生翻转，使 Vo=1，电路进入暂稳态。由于 Vo=1， 三极管 T 截止，电源 Vcc可通过 R 给 C 充电。当电容 C 充电至 Vc=2V

6、cc3 时电 路又发生翻转，输出 Vo=0，T 导通，电容 C 放电，电路自动恢复至稳态。可见， 暂稳态时间由 RC 电路参数决定。 若忽略 T 的饱和压降，则电容 C 上电压从 0V 上升到 2Vcc3 的时间，即输 出脉冲宽度 tw 为：tw=RC 31.1RC 5 图 3 单稳态电路及输出波形 2.2.3 74LS160 构成的计数器 74LS160 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。 由三个 71604LS160 构成的计数器电路如图 4 所示 图 4 计数电路 2.2.4 74LS273 锁存器 6 由 74

7、LS273 构成的锁存电路对计数值进行锁存。74LS273 工作原理是：MR 为高电平，当 CLK 输入为上升沿时对输入信号进行锁存，锁存后输出不再随输 入信号变动，直至下一个上升沿到来。这里的 CLK 输入由单稳态输出接反相器 得到。当单稳态输出为低电平时，表示定时结束，同时锁存电路对计数值进行锁 存。以正确显示电容值。电路如图 5 所示： 图 5 锁存电路 2.2.5 74LS247 译码器 74LS247 芯片的功能即将四位二进制表示的数进行译码， 以驱动共阳的七段 数码管显示其值。电路图如图 6 所示： 图 6 译码电路 2.2.6 数码管显示电路 7 由任务要求知，用三位数码管显示被

8、测电容值的大小。因为译码电路用的是 74LS247，并且 0.01uf-1uf 档位的设计采用 1-100 乘以 0.01，所以这里选用八段 共阳数码管，当量程为 0.01uf-1uf 时，第一位数码管的小数点亮。 图 7数码管显示电路 2.2.7 单位显示电路 单位的显示与量程的选择一致，即当量程为 0.01uf-1uf 或 1uf-100uf 时，单 位显示为 UF，当量程为 100pf-0.01uf 时，单位显示为 PF.，单位后的小数点亮表 示被测电容值为显示的数值乘以 100。 图 8单位显示电路 3.1 电路参数选择 8 以电容值 47uF 为例，因为测试电容的原理是:闸门信号 T

9、w=1.1RCx，而振 荡器输出周期为 T=0.7（R1+2R2）C 的基准脉冲，我们设置电路使 0.7（R1+2R2） C*N=1.1RCx， 等式两边同时约去 N 和 Cx， 那么在闸门信号闸门内有 N 个基准脉 冲，电容值就为 N(Cx)。 3.2 产品使用说明 将被测电容安装在单稳态电路中电容 C3 位置处， 选择一个量程的开关合上， 并点击运行开关。 若显示值在 1-100 之间， 则说明量程选择正确； 若显示值为 000， 则说明量程选择大，应调小量程；若显示值大于 100，则说明量程选择太小，应 调大量程。后两种情况下，量程选择错指示灯会亮。如果单位显示为 PF.，说明 被测电容

10、值测量结果应为显示值乘以 100。 3.3 安装与调试 （1）按照总电路图接好电路，检查无误后即可通电调试。本设计在 proteus 软件 里调试，并用 Altium designer 设计制作 PCB，用实物测试调校。 （2）仿真过程中，当点击运行按钮时，555 多谐振荡器开始工作，输出周期为 T=0.7（R1+2R2）C 的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往 74LS160 开始计 数，同时将输出信号结至单稳态电路输入端，触发单稳态电路进行定时功能。 （3）在多谐振荡器输出输出周期性脉冲的时候，555 单稳态触发器的输入端会 不断地输入方波脉冲，由 555 单稳态的性质我们可以知道，当负

11、脉冲到来时，单 稳态触发器会输出为宽度为是 Tw=1.1RC 的正脉冲； （4）从理论上讲，我们可以通过 74LS160 输出所测电容的大小，但是由于 555 单稳态触发器输出的负脉冲时间非常短， 我们几乎从显示器上无法确定单稳态负 脉冲的到来，因此我们用了一个 74LS273 做成的锁存器。当 555 单稳态输出负 脉冲时，我们将此信号经过一个非门，去控制 74LS273 的 CP 脉冲，在 555 输出 9 正脉冲时锁存器不输出数据， 只有555单稳态触发器输出负脉冲时， 控制74LS273 的 CP 脉冲输出当前的数据； （5）根据课程设计的要求，我们设计了三个量程，分别由接在 555

12、单稳态触发 器 6、8 脚的电阻器来完成的。通过控制电阻的大小，可以控制输出正脉冲的宽 度，即定时时间长短，间接的控制输出电容的量程，同时在输出不同的量程的时 候，我们通过电路控制不同的单位显示加以区别； （6）在测试 1-100uf 电容的过程中，可能是由于电路的影响，显示的电容值在 某一个范围里不停的变动，为此，我们在设计该量程时在多谢振荡器的 C2 电容 两端并联了电容，以加大输出波形的周期，同时为了不使测量结果发生变化，将 该量程下的单稳态电路 6、8 间的电阻扩大至同样的倍数。这样设计后，显示很 稳定。 调试正常后，选取了 6 个待测电容进行测量，数据如下表 4-1 所示。其中部分仿

13、 真结果如下图所示： 图 9100pf 被测电容仿真结果 图 100.47uf 被测电容仿真结果 10 图 1168uf 被测电容仿真结果 表表 3-1调试结果记录调试结果记录 被测电容标称值测量值测量误差 C1100pF(101)1*100pF0 C22000pF(332)21*100pF5% C30.01uF(103)0.01uF0 C40.47uF(333)0.47uF0 C51uF(684)1uF0 C668uF68uF0 （7）在实物测试过程中，发现 1-100uf 量程测试不准，显示数值严重跳动， 1uf-0.01uf 与 100pf-0.01uf 量程测试精度达到设计要求。 判断

14、 1-100uf 量程电路由 于存在元件精度不足，跳线干扰等因素，致使改量程未能实现设计测量任务。其 中部分测试结果如下图所示： 图 1210nf 被测电容实测结果图 13510pf 被测电容实测结果 11 图 1410nf 被测电容实测结果图 15100nf 被测电容实测结果 图 161uf 被测电容实测结果图 17470nf 被测电容实测结果 图 1810uf 被测电容实测结果图 1822uf 被测电容实测结果 12 图 1847uf 被测电容实测结果 4.1 总结 该数字电容测试仪完成了设计任务的基本要求和发挥部分要求，同时增加 了单位显示部分。仪表具有性能可靠、精度高、操作简单，显示直

15、观等特点。不 足之处在于当被测电容值 100pf-0.01uf 之间时，测量误差略大。这是因为设计要 求用三个数码管显示，而该量程为 0.0001uf-0. 01uf 或者说是 100pf-10000pf，设 计该量程时采用显示值乘以 100 的方法来表示被测电容值， 这样一来虽然三个量 程的显示值都在1-100之间， 但100pf-0.01uf档位的误差就较大了。 其次， 1uf-100uf 量程在被测电容大于 22UF 时，测量数值存在问题。原理图及 PCB 设计过程中 有许多设计失误，所以该数字电容测试仪仍有很大改进空间。 【参考文献】 1 阎石.数字电子技术基础 （第四版/第五版） M. 北京： 高等教育出版社， 2006： 174-184，278-298,489-497 2 童诗白， 华成英.模拟电子技术基础M.北京： 高等教育出版社， 2006： 1129. 3 金唯香，谢玉梅电子测试技术M.长沙：湖南大学出版社，2008. 附录附录 A A 总仿真电路图总仿真电路图 13 附录附录 B B 总电路图总电路图 附录附录 C C P PCBCB 图图