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1、 电子线路课程设计报告设计课题： 三位数字电容表 专业班级：新能源科学与工程 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 2015.7.11-7.15 常熟理工学院物理与电子工程学院题目 三位数字电容表一、设计任务与要求1.使用交流220V单相供电，经整流变压产生直流电，供给整个电路工作。2.电容表测量范围1999F，使用3 位数码管显示。3.电路设有启动按钮、复位按钮。按启动按钮后，电路开始测试，测试结束后，显示待测电容值。按复位按钮，电路复位，显示值清零，准备下一次测试。参考原理框图图1 原理框图表示参考原理：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
2、；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。 二、方案设计与论证1因为电容器的充电时间和其容量大小有关，所以可以将待测电容放入电路中，通过测量电容充电时间来测量电容值，用555定时器组成单稳态触发器，所以单稳态的高电平持续时间就是电容充电时间。2 用555定时器组成多谐振荡器产生标准脉冲，作为单稳态发
3、生电路所提供的脉宽的测量标准测量尺度。3用计数器对一个脉宽时间内的脉冲个数计数，计数器显示的脉冲个数即为被测电容的容量。4基本原理计算公式三、单元电路设计与参数计算1.使用交流220V单相供电，经整流变压产生直流电5V图2 直流电5V2.555定时器构成的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
4、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（R1R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和
5、放电管放电，电路进入第个暂稳态，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（1/32/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。根据Uc的波形图可以确定振荡周期为 T=Tpl+TphTph对应充电时间 Tph=0.7（R1+R2）CTpl对应放电时间 Tpl=0.7R2C振荡周期 T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2
6、）C振荡频率 f=1/T图3 555多谐振荡器3.555定时器构成的单稳态触发器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
7、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VccRC地，对电容充电，充电时间T1.1RC，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
8、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）工作波形高电平脉宽时间T=1.1*R1*C图4 555单稳态触发器4脉冲计数电路与数码显示计数部分选用三片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，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
9、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。图5 74LS192引脚分布图图6 CD4511引脚分布图图7 脉冲计数与数码显示5.待测电容计算公式设单稳态电路产生脉宽时间为 T=1.1*R1*Cx多谐振荡器脉冲周期为 t=0.7*(R5+2*R6)*C3单稳脉宽下的脉冲个数为 D待测电容的值为 Cx=D*10(-6)所以可得下列等式： 所测的电容值默认单位为uF四、总原理图及元器件清单1总原理图图8 总原理图1元件清单元件序号型号主要参数数量备注R1R2R3R4R8/R9/R10电阻9.1k*2+9105.1k*23k51330111121C1Cf1Cf2电容100n
10、F1uF10nF111U1/U2/U374LS1923U4/U5/U64511CD-5V3U7/U8/U9共阴极数码管3U10A/U12A/U13A74LS003五、安装与调试六、结论与心得本次的电子课程设计有一定的难度，虽然是两个人合作，但是困难还是重重。我们被分配到的任务是三位数字电容表。老师第一节课大概讲了一下我们这个实验的思路，刚开始真的无从下手，通过查阅各种各样的资料了解需要的元器件的引脚功能，自己通过看视频学习Multisim软件的使用方法，学习各种元器件的应用方法。设计电路是最难的部分，所以我们先一部分一部分的进行，先是555多谐振荡器，然后是555单稳态触发器，计数器，最后是数
11、码管。在软件上仿真的时候因为数码管上多接了一个电阻，所以导致高位的计数器没有示数。仿真结果出来后，为了减少误差，我们又对多谐振荡器和单稳态触发器的电阻进行调整，尽量减小误差。前三天进行设计和仿真模拟，后两天进行实物连接与硬件调试。这也是我们第一次接触面包板，以前都是通过焊接来实现电路。用面包板最大的隐患就是可能会有虚接。所以我们做每一部分的时候都特别小心，井然有序，尽量不自乱阵脚。电路图与实物图之间还是有很大的差别的，要提前想好如何在面包板上摆放元器件的位置，尽量利用有限的面包板的空间，尽量减少交叉线，使整体看上去整齐一点。通过对课程设计的原理图，来确定需要的功能模块。再根据对应模块，来初步确
12、定所需的器材。然后查找各个芯片的功能和建议电容表的工作原理，最终确定制作方案。本次方案的实施是有序进行的，我们小组通过对每个功能模块的讨论和研究，尽量把每个功能模块都做好，最后再将所有的功能模块整合在一起。这个系统的设计思路还是很清晰的，但是所需要的器件是比较多的，这就需要我们对每个器件的功能要深入地了解。就这样，我们的仿真部分做得还算顺利。在具体的硬件制作过程中就出现了一些问题。所需的器件较多，带来的后果就是要连的线就多，如果器件的摆放位置不合理，就会使面包板的制作变得异常艰难。所以我们又进行了一番讨论最终定硬件安装方案。在连实物图的时候会出现各种各样的情况，这是就要充分利用身边现有的检验器
13、件，如万用表，示波器。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）这样做可以为以后的连线扫除障碍。在这次的实验中，也让我充分明白了团队合作的重要性。自己的能力是有限的，要善于与别人合作，发现别人身上的闪光点，进而更加清楚的认识自己，提升自己。在实验过程中，老师也给予了我们
14、很多帮助，帮我们解决了很多困难。这次的实验让我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.七、参考文献 1 张文荣.模拟电子技术课程教学新探J. 河北能源职业技术学院学报.2004,4(3).2 余道衡,徐承和. 电子电路手册M. 北京：北京大学出版社，1996 3康华光.模拟电子技术(第四版) M .高等教育出版社 2006 4 康华光.数字电子技术(第五版) M . 高等教育出版社 2006
