数字电容测试仪课程设计报告.docx

课程设计任务书学生姓名：杨坚专业班级：电信1006指导教师：工作单位：信息工程学院题目：电容测试仪/初始条件：具备电子电路的基础知识和设计能力；具备查阅资料的基本方法；熟悉常用的电子器件；熟悉电子设计常用软件的使用；要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、设计电容数字测试电路；2、测量电容范围：100pf-1f;3、数码管显示电容值；4、掌握数字电路的设计及调试方法；5、撰写符合学校要求的课程设计说明书。C时间安排：时间一周，其中2天原理设计，3天电路调试指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名:目录1绪论错误!未定义书签。选题背景错误!未定义书签。设计要求错误!未定义书签。2系统概述错误!未定义书签。方案的选择及可行性分析错误!未定义书签。方案论证错误!未定义书签。设计思路错误!未定义书签。设计的总体框图错误!未定义书签。用555定时器构成的多谐振荡器错误!未定义书签。用555定时器构成的单稳态电路错误!未定义书签。741S160构成的计数器错误!未定义书签。741S273锁存器错误!未定义书签。741S247译码器错误!未定义书签。数码管显示电路错误!未定义书签。4电路总体描述及功能实现错误!未定义书签。电路参数选择错误!未定义书签。产品使用说明错误!未定义书签。仿真安装与调试错误!未定义书签。5实物制作与调试错误!未定义书签。制作错误!未定义书签。调试错误!未定义书签。6结论错误!未定义书签。总结错误!未定义书签。收获与体会错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。附件1错误!未定义书签。附件2错误!未定义书签。附件3错误!未定义书签。附件4错误!未定义书签。本科生课程设计成绩评定表错误!未定义书签。选题背景电阻、电容、电感是电工领域中最基本的物理量。对于从事电气技术的工作者、生产人员，电容测量仪是不可缺少的常用仪表。任何一种仪器、仪表在保证一定的技术指标的前提下，结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉是评价其优劣的一项综合指标。各种各样的电容器，它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似，通常简称其为电容，用字母C表示。顾名思义，电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质(固体、气体或液体)所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。由于电容元件本身的储能特性，因此它被广泛地应用于整流，滤波，耦合，振荡等电路中，几乎成为现代整机产品中不可或缺的分立元器件。因此，无论是对电容生产厂商或整机设计维修工程师来讲，通过电容测量仪准确地了解电容元件的参数特性都非常有必要，尤其是模拟电路和射频电路设计工程师。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，此次我的课程设计就是用数字显示方式对电容进行测量。设计要求(1)被测电容的容量在IOOPF至IuF范围内。(2)设计测量量程。(3)用位数码管显示测量结果2系统概述方案的选择及可行性分析数字式电容测量仪的作用是以十进制数码的方式来显示被测电容的大小，从而判断电容器质量的优劣及电容参数。由给出的指标设计，它的设计要点可分为俩部分：一部分是数码管显示，另一部分就是要将Q值进行转换。能满足上述设计功能的方案很多，我们共总结出下面四种参考方案：方案一：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成数字量显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当单稳态触发器输出电压的脉宽为：tw=RCIn3o从式中可以看出，当固定时，改变电容C则输出脉宽tw跟着改变，由tw的宽度就可以求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压Vo取平均值，由于电容量的不同，tw的宽度也不同，则V。的平均值也不同，由V。的平均值大小可以得到电容C的大小。如果把平均值送到A/D转换器，经显示器显示的数据就是电容的大小。但是我们对A/D转换器的掌握程度还不够充分，设计有一些困难。方案二：用阻抗法测R、1、C有两种实现方法：永恒流源供电，然后测元件电压；永恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。方案三：像测量R一样，测量电容C的最经典方法是电桥法，如图所示。只是电容C要用交流电桥测量。电桥的平衡条件是:Zi*Zn»expj().n)=Z2*expj(2.)通过调节阻抗备、Zz使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可求出被测电容。用这种方法测量，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡也难以用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。方案四：应用基本思想：把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。先把电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，然后将其作为闸门控制计数器计数，技术后再运算求出C的值，并送出显示，转换的原理是由于单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比，可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送至计数一锁存一译码一显示系统就可得到电容量的数据。其实，这种转换就是把模拟量转换成数字量，频率f是数字电路很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于式仪表实现智能化，另一方面也避免了有指针读数引起的误差。因此本设计我们采用此方案。方案论证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。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，该计数脉冲送计数一锁存一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。如果超过电容的量程，则报警并清零。设计的总体框图该方案的总体方框图如图所示:图原理框图3单元电路设计分析用555定时器构成的多谐振荡器T1=(R1÷R2)CIn2»电路图及其输出波形如下图所示，其工作原理如下：由图所示，可以求得电容CI上的充电时间T1和放电时间丁2：(R1+R2)CT2=R2CIn2弋所以输出波形的周期为T=TrhT2=(R1+2R2)C12(R1+2R2)CR=,R2=12k,T2ms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所示，其工作原理如下：接通电源瞬间，V=O,输出V=I,放电三极管T截止。儿通过R给C充电。当Vc上升到2%c3时，比较器G输出变为低电平，此时基本RS触发器置0,输出V1O.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V0=1,电路进入暂稳态。由于V0二1,三极管T截止，电源VCC可通过R给C充电。当电容C充电至Vc=2Vy3时电路又发生翻转，输出=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OV上升到2%/3的时间，即输出脉冲宽图单稳态电路及输出波形741S160构成的计数器741S160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716041S160构成的计数器电路如下图所示K-9HPHQraXI-O.ErM1CDHJUJOOfnCM1ooroOOenCM1。or1Ge1Z。山UJqmOO(M1OQQQQOOmZ1Ooro图计数电路741S273锁存器由741S273构成的锁存电路对计数值进行锁存。741S273工作原理是：MR为高电平,当C1K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C1K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。电路如下所图锁存电路741S247译码器741S247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。电路图如下所示：)O(-Z接锁存器输出U10741S2474C>-QQQc1r>'rcoCQQOmgmmQ二U9<CQQOmgm_坦1-JQQQ1ZCOT-XT-图译码电路数码管显示电路由任务要求知，用三位数码管显示被测电容值的大小。因为译码电路用的是741S247,并且档位的设计采用ITOO乘以，所以这里选用八段共阳数码管，当量程为时，第二位数码管的小数点亮。4电路总体描述及功能实现电路参数选择以电容值为例，因为测试电容的原理是：闸门信号Tw=,而振荡器输出周期为T二(R1+2R2)C的基准脉冲，我们设置电路使(R1+2R2)C*N=,等式两边同时约去N和C,那么在闸门信号闸门内有N个基准脉冲，电容值就为N(C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OToO之间，则说明量程选择正确；若显示值为OO0,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。如果单位显示为PF,则第三个数码管的小数点会亮，说明被测电容值测量结果应为显示值乘以IOOo仿真安装与调试(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。(2)当点击运行按钮时，555多谐振荡器开始工作，输出周期为T=(R+2Rz)C的方波信号。将多谐振荡器输出的脉冲送往741S160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，当负脉冲到来时，单稳态触发器会输出为宽度为是TW二的正脉冲；（4）从理论上讲，我们可以通过741S160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741S273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741S273的CP脉冲，在555输出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741S273的CP脉冲输出当前的数据；（5）根据课程设计的要求，我们设计了两个量程，分别由接在555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显示加以区别；选取了6个待测电容进行测量，数据如下表4-1所示。其中部分仿真结果如下图所示：表4-1调试结果记录被测电容标称值测量值测量误差C1100pF(101)1*1OOpF0C22000pF(332)19*100pF