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1、目录摘要综述11方案设计与分析21.恒压充电法测量21恒流充电法测量21.3脉冲计数法测量2电路设计框图及功能描述.1电路设计框图2.2 电路设计功能描述3 电路原理设计及参数计算43.电路原理设计43.2单元电路设计与参数计算.2.1控制器电路43.时钟脉冲发生器3.2.3计数和显示电路64 单元电路仿真波形及调试8.多谐振荡器84.2单稳态触发器94.1稳定状态94.2暂稳态状态942.3 自动答复状态94.3电路原理图与仿真成果显示043.1电路原理图10.32仿真成果显示115 课程设计体会14参照文献15摘要本设计是基于55定期器，连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳
2、态触发器中所波及的电容,即是被测量的电容。其脉冲输入信号是555定期器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻，电容的参数而调节。这样便可以定量的拟定被测电容的容值范畴。由于单稳态触发器的输出脉宽是根据电容值的不同而不同的，因此脉宽即是相应的电容值,其精确度可以达到0.1。单稳态触发器输出的信号滤波,使最后输出电压与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化，将输入到74160计数译码器中翻译成BCD码，输入到LD数码管中显示出来。核心词： 电容;5定期器;线性;计数译码器；LD数码管综述 本设计重要运用数字电子技术基本，在通过对设计规定的分析后选择设计方案,此设计题目为了复
3、习和巩固已学过的数电与模电理论知识和操作技能，掌握数电多种芯片的特性与作用，学会用仿真软件进行程序设计和电路分析。学习和训练查阅多种技术资料，编制有关的专业技术文献的基本技能。根据本次课程任务有关规定,本设计分为三部分,第一脉冲信号的产生，第二由测量电容构成单稳态触发器产生的脉宽,第三计数译码器与数码管的配合使用。在平常的电路工程或者是电路实验中，电容是一种最常用的云器件,实际应用中,对电容的电容值的精确度规定也很高。在实际操作中,对电容的测量存在许多麻烦,数值的体现也不够直观。为此，我们查阅资料,根据所学的知识，设计一种数字电容测试仪，只要接入被测电容，就能直接在屏幕中显示电容的容值,以便在
4、后来实验中对电容的使用。1 方案设计与分析1.1恒压充电法测量 用一种电阻和电容串联，用恒压源对电容充电，然后和、根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，运用曲线拟合的措施测量。由于时间和容值是非线性的。因此测量难度高,精度低,并且难以实现数字化。1.2恒流充电法测量用恒流源对电容充电，此时电容的容值和充电时间是成正比的,因此可以运用或者比较功能同某个固定电容比较,实现电容测量。使用这种措施来测量,精度较上一种措施有所提高,且便于操作和实现。弹药使用恒流源,恒流源的设计规定很高,且达不到测量所需要的精度规定。1.脉冲计数法测量 由555定期器两个电阻和一种电容构成的多谢振荡电路,产生较
5、稳定的振荡频率。再由一种55定期器和一种电阻以及的一种电容构成单稳态触发器，并将上述多谢振荡电路产生的振荡信号作为单稳态触发器的触发信号，此措施测量比较精确，并且容易调节所测电容值的范畴。综上述的三种措施,我选择第三种。电路设计框图及功能描述2.1电路设计框图计数译码器显示电路 脉冲产生电路脉冲个数控制电路待测电容22电路设计功能描述 脉冲产生电路采用由55定期器改接的多谐振荡器,多谐振荡器产生固定频率的脉冲，用来给74160计数译码器提供计数脉冲,脉冲个数控制电路采用由5定期器改接的单稳态触发器,运用单稳态触发器或电容器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度 Tx
6、严格 与 成正比。因此，只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数,然后再送给显示屏显示,这个时侯,如果时钟脉冲的频率等参数调得合适的话，那么数字显示屏显示的数字 N便是 x的大小3 电路原理设计及参数计算 本设计分为三个量程,分别为100pf-999pf、1nf999nf、uf-10u,下述单元电路均以量程1u-100uf为基准3.1电路原理设计运用单稳态触发器或电容器充放电规律等,可以被测电容的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度T严格与Cx成正比.只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与，便可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然
7、后再送给显示屏显示 如果时钟脉冲的频率等参数合适，数字显示屏显示的数字 N便是 Cx的大小。32单元电路设计与参数计算3.2.控制器电路 控制器的重要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度 x.图3-2-1所示为单稳态控制电路的原理图该电路的工作原理如下:图3-21 单稳态控制电路的原理图当被测电容 Cx接到电路中之后,只要按一下开关 ,电源电压Vc送给 555定期器的低电平触发端2一种负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态，其输出端3由低电平变为高电平.该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过，送入计数器计数.暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.C.然后单稳态电路又回到稳态，其输
8、出端变为低电平,从而封锁与门，停止计数。可见,控制脉冲宽度 Tx与Rx成正比.如果固定不变，则计数时钟脉冲的个数将与x的容量值成正比,可以达到测量电容的规定。由于设计规定 ，Cx的变化范畴为 100pF,设测量的时间Tx为2s左右，也就根据Tx=1.RCx可求得 : R=T(nCx)=1182k （3-2-)取=18k 实际Tx=Ln3*C*=1.977s 32.2 时钟脉冲发生器这里选用由55定期器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图-2所示图32 电路原理图及其输出波形由图3-2求的电容C2的充电时间T1和放电时间T各为 T1=(1+R2)Ln2 (3-2-2)
9、=R2*L （32-3) 故振荡波形的周期为 T=T1+2=（1+2R2)*CLn (3-4)振荡频率为 =(R+2R)*2*） （3-2-5) 由于时钟周期是在忽视了555定期器6脚的输入电流条件下得到的，而事实上 6脚有电流流入.因此，为了减小该电流的影响,应使C=1。又由于规定 Cxma =00时,T=1.9775s，因此需要时钟脉冲发生器在该时间内产生 100脉冲.即时钟脉冲周期应为T=197m. 取C2=uF,则 ： 1+2*R2=T(C*Ln2)=83 （3-6) 取标称值:R1453k,R2=10k.3 计数和显示电路由于计数器的计数范畴为1100，因此需要采用3个二十进制加法计
10、数器.这里选用 片74160级联起来构成所需的计数器一片74LS160和数码管连接如图3-2-3所示:图32-34L160和数码管连接图 三片74LS60和三个数码管连接出来的显示图如图3-2-所示：图2-4 三片74LS1和三个数码管连接出来的显示图4 单元电路设计的仿真波形4.1多谐振荡器由555定期器构成的多谐振荡器产生的波形如图4-1所示，它既为下一级的单稳态触发器提供输入脉冲，又为背面计数器开始计数提供信号脉冲。图41-1 多谐振荡器电路波形其工作原理如下:多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处在某一暂稳态，电容上电压略低于,U输出高电平,1截止,电源UC通过R、R2给电
11、容C充电。随着充电的进行U逐渐增高,但只要 ， 输出电压U就始终保持高电平不变,这就是第一种暂稳态。当电容C上的电压Uc略微超过时(即6和2均不小于等于 时)， RS触发器置 0,使输出电压Uo从本来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V导通饱和,此时电容C通过和1放电。随着电容放电，Uc下降,但只要，Uo就始终保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当U下降到略微低于 时，S触发器置 1,电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电,又反复上述过程,电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其振荡周期为：工作波形如图12所示。图4-2 多谐振荡器波形42单稳态触发器由55定期器构成的单稳态触发器产生的波
12、形如图-所示，它可以产生占空比一定的脉波，此脉波用来控制计数。单稳态触发器的工作原理如下：4.2. 稳定状态没有加触发信号时,输入为高电平。接通电源后，经电阻R对电容C进行充电,当电容C上的电压时，输出。与此同步电容C迅速放完电,，不变。4.2. 触发进入暂稳态当由高电平变为低电平时,此时，输出由低电平跳跃到高电平。此时，电源经R对C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间内输入电压回到高电平。4.2自动返回稳定状态随着的充电,电容C上的电压逐渐增大。当上升届时,输出由高电平跳跃到低电平。与此同步，C迅速放完电，。电路返回稳定状态。 单稳态触发器输出的脉冲宽度为暂稳态维持的时间（及占空比),它事实上为电容上的电压由V充到所需的时间,可用下式估算： 式中R和为外接电阻和电容。图-单稳态触发电路波形4.3电路原理图与仿真成果显示4.3.1 电路原理图 如下图-1所示(以量程1uf-00为例）图4-3-1电路原理图 4.32仿真成果显示 C=10uf的测试成果显示如图4-2图4-32 Cx=10uf测试成果Cx=100u测试成果图显示如图4-3-图4-3 Cx=10uf测试成果 变化为1nf=99nf的量程，令C3=0.1uf,R=100k，R4.5（参数代码以仿真图显示
