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1、北 华 航 天 工 业 学 院 电子技术 课程设计报告报告题目： 数字式电容测量仪 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： B09212 作 者 姓 名 ： 惠欢欢 作 者 学 号 ： 20094021231 指导教师姓名： 崔瑞雪 完 成 时 间 ： 2011年6月1日 课程设计任务书课题名称数字式电容测量仪的设计完成时间6.01指导教师崔瑞雪职称讲师学生姓名惠欢欢班 级B09212总体设计要求和技术要点设计一个数字式电容测量仪电路，要求如下：1能测量10F-990F范围内的电容量。2用两只LED数码管构成数字显示器。数码管用来显示后两位，均用十进制数表示，
2、即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为99和0。|3数字显示器所显示的数字N与被测电容量CX的函数关系是 N=Cx/(10F)4在正常工作条件下，测量电路接上CX后数字显示器便可自动显示出数字，即不需要测试者进行清零、启动之类的操作，便可正常显示。响应时间Tx不超过2s，即接上CX后，在2s之内，显示器所显示的数字N符合上述函数关系，其误差的绝对值在给定器件的前提下尽量小。5、在正常测量范围内,显示数目应当清晰,但允许有所闪动。6若被测电容超过990uF，则数码管呈全暗状态，发光二极管呈亮状态，表示超量程。7测量电路应有被测电容器的两个插孔，并标上符号“+”和“-”。“+”端电位瞬时值
3、不低于“-”端电位的瞬时值，而且它们之间的开路电压瞬时值最大不超过5.5V。工作内容及时间进度安排第15周：周1-周4 立题论证方案设计周5预答辩第16周：周1-周3 仿真实验周4-周5验收答辩课程设计成果1与设计内容对应的软件程序2课程设计报告书内 容 摘 要 电容具有隔直流同交流的能力，在电子电路中是十分重要的元件，电容的容值在电路设计中是一重要因素。由于在使用一段时间后，电容容值与出厂是所标注的值有所偏差，这就需要设计仪器去测量电容容值。传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观。本课题主要介绍了数字电容测量仪的原理和设计思想。它由测试电路和显示电路两部分组
4、成。在测试电路中555定时器做多谐振荡器，它通过电容配合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，通过计数器记数算出电容的值，最后通过数码管显示被测电容的容值。设计的电容测量仪的测量范围是10uF990Uf，显示的数值N是0099，数字显示器所显示的数字N与被测电容量CX的函数关系满足关系 N=Cx/(10F)。当被测电容值超出990uf时，数码管呈全暗状态，发光二极管呈两状态，表示超出量程。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。关键字：测脉法 脉冲 数显 电容 目 录一、 概 述 1二、方案设计与论证2 1测脉宽法1 2测频法2 3测压法2三、单元电路设
5、计与分析31时钟脉冲发生电路 32闸门信号产生电路 3 3计数脉冲产生电路44计数电路 55锁存器 56译码器 6四、总原理图及元器件清单 6五、结论 6六、心得体会 6七、参考文献 6 一、概述本方案通过555定时器够成的单稳态触发器使被测电容Cx产生一个CP脉冲（闸门信号），使闸门信号控制另一个由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生与Cx相对应的一系列CP脉冲。通过74LS160|、74LS161计数器来测CP脉冲的个数，然后经过74LS273八D触发器锁存其数据，最后通过74LS48译码器，使七段数码管显示其数值N(N=Cx/10uf)。用两只LED数码管构成数字显示器。数码管用来显示
6、后两位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为99和0。在正常工作条件下，测量电路接上CX后数字显示器便可自动显示出数字，即不需要测试者进行清零、启动之类的操作，便可正常显示。响应时间Tx不超过2s，即接上CX后，在2s之内，显示器所显示的数字N符合上述函数关系。Cx的测量范围为10uF990uF,当Cx超出量程时七段数码管呈灭零状态，报警二机极管发光，表示超量程。 测量电路有被测电容器的两个插孔，并标上符号“+”和“-”。“+”端电位瞬时值不低于“-”端电位的瞬时值，而且它们之间的开路电压值最大不超过5.5V。二、方案设计与论证数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的
7、方式来显示被测电容的值，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的设计指标，它的设计要点可分为两部分：一部分是CX容值测试电路，另一部分是LED显示电路，使数码显示与CX符合N=Cx/(10F)的函数关系。能满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面三种参考方案。1测脉宽法测脉宽法的基本原理如图1所示，利用单稳或电容充放电规律等，将电容容量变换成与其正比的脉冲宽度，即Tx与Cx成正比。只要把此脉冲宽度Tx和标准脉冲信号相与，便可得到与Tx成正比的计数脉冲fx，如果时钟脉冲的频率等参数合适，便可实现题中所要求的函数关系，因此本课题选择了测脉宽法来测量电容值。图1 测脉宽法的原理框图2测频法
8、测频法的基本工作原理是：将图1中的门控信号作为标准门控信号，将待测电容作为时钟脉冲发生器的一部分，在一定条件下，发生器的输出频率与电容值是线性关系，只要标准门控信号参数合适，测出时钟脉冲发生器的频率就可测出电容值。3测压法测压法的基本原理是：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量显示。典型测压法设计方案如图2所示。图2测压的原理框图本设计选择了测脉宽法，用闸门信号来控制时钟信号产生的CP脉冲个数，使其来反映被测电容Cx的数值。用测脉宽法得到的数值比较容易通过数码管来显示，可省去数码转换而且误差相对比较小。三 、单元电路设计与分析1时钟脉冲发生电路图3-a中的U1为由
9、555定时器构成的多谐振荡器。它在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。此电路中用来产生时钟脉冲信号（如图3- b所示）。电源接通后，VCC通过电阻R1、R2向电容充电，当 =2/3VCC时，因为2端与6端相连，则有=V6，使比较器C1输出翻转，输出电压V0=0。同时，放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降至1/3VCC时，比较器C2工作，输出电压V0变成高电平，C放电终止，VCC通过电阻R1，R2又开始充电；周而复始，形成振荡。其振荡周期与电容充放电时间有关，充电时间为：，放电时间为，则时钟信号一个周期为。 图3-a时钟脉冲发生电路 图3-b时钟脉冲信号产生波形
10、2闸门信号产生电路图4-a中的U2为由555定时器构成的单稳态触发器。2端作为触发信号的输入端，由U1产生的时钟脉冲信号来提供。它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回到稳态。这段时间称为暂稳态时间取决于外界R、C的值。即：。U2产生的信号用来作为门控信号。图4-a产生波形图 图4-b单稳态触发器产生波形3计数脉冲的产生电路根据计数原理列出参数关系：2 =，化简得。调节、的值使其满足关系。把由U1产生的时钟脉冲信号与U2产生的门控信号相与，就能得到与成正比的计数脉冲（如图5所示）图5-a 计数脉冲的产生电路 图5-b计数脉冲
11、产生的波形4计数电路74LS160是同步四位十进制加法计数器，74LS161是十六进制计数器。功能表均如图6-a所示图6-a 74LS160、74LS161功能表74LS160所计数为个位，74LS161所计数为十位。74LS160的EP和ET端都接高电平，74LS161的EP和ET端均接74LS160的进位端RCO。两个计数器的CLK信号均由计数脉冲提供，MR和LOAD均接闸门信号，D3、D2、D1、D0均低电平。 图6-b 计数器连接图当闸门信号到来时，计数器开始工作。每来一个时钟信号74LS160开始计数，当到9是进位信号为1，74LS161开始工作计一次数，直到闸门信号变为0时停止计数
12、。5锁存器在电路设计中需要锁存2个4位二进制数,由于 74LS273是八D触发器，能同时锁住8位数,所以选择使用74LS273。它具有异步控制端的功能。其引脚图如7-a所示。由于74LS273是在上升沿触发,要想在闸门信号从1变为0的时候锁存,就必须把闸门信号通过一个反相器后作为CLK信号。其MR端接高电平。被锁存信号由D0到D7输入，输出结果由QO到Q7引出。如图7-b所示。 图7-a 74LS273引脚示意图 图7-b 74LS273接线图6译码器此电路中译码器选用集成电路74LS48。它是BCD七段字型译码，具有灭零输入端的功能。74LS48的引脚图如下图8-a所示。使用时3、5端都接高电平，4端是灭零输入端，当4为高电平时74LS48控制的显示管呈暗状态，不显示数。ABC端接输入信号，abcdefg输出端用来驱动显示器。如图8-b所示。 图8-a74LS48引脚图 图8-b用74LS48驱动显示器连接7显示器电路中显示器用的是7SEG共阴极显示器。器原理图如图9-a所示，公共端接地，当输入端为高电平的时候，二极管亮，显示相应的数字。 图9-a 显示器原理图
