数字电容测量仪.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流数字电容测量仪.精品文档.电子设计竞赛(论文)参赛题目： 数字电容测量仪（I题）参赛队员： 指导教师： 20 年3月24日摘 要数字电容测量仪是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。现在常用的测量方法是电容表法和充放电法。本设计使用两个555定时器，其中一个555定时器搭建为多谐振荡器，通过电容充放电产生固定周期的脉波，作为计数波；同时另一个555定时器搭建成单稳态触发器电路，多谐输出作为单稳输入，输出外加反相器作为控制脉波；在固定周期内采用74290对计数波计数，并使用74273锁存数据，将数据在LED上显示出来，采用

2、直流稳压为系统提供+5V和+12V的电压。设计中使用开关转换来达到两个大量程测量电容，能够测量1nF1000uF的电容值；并且系统具有单位显示功能。关键词：555定时器，多谐振荡器，单稳态触发器，锁存器目录1系统设计41.1 设计要求41.2 总体设计方案41.2.1设计思路41.2.2 系统方案论证与选择41.1.3总体框图52单元电路的设计62.1 直流稳压电源设计62.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路62.1.2直流稳压电源的原理框图分析62.1.3直流稳压电源特点62.2 产生波形设计方案72.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器72.2.2由555定时器搭建单稳态触发器82.3

3、 计数加锁存电路102.4 显示部分设计方案103总体电路图及仿真结果123.1该方案的总体电路图如下：123.2仿真结果如下图134 结束语14附录15附录 器件清单15附录 参考文献15附录 实物连线图161系统设计1.1 设计要求 本次设计任务基本要求设计制作一个数字电容测量仪，能够测试的电容量在100nF至100uF范围内，并且至少设计两个以上的测量量程，用三位数码管显示，自由发挥部分为电容量在10nF至1000F范围内，量程分为5档显示，还要求有单位显示，可以通过开关转换实现频率计的功能。1.2 总体设计方案1.2.1设计思路题目要求设计一个数字电容测量仪。设计中采用两个555定时器

4、分别构建单稳态和多谐触发器用于产生计数脉波和控制计数脉波，其中待测电容在单稳态电路中，在单稳电路中用单刀双掷开关连接不同阻值电阻来达到更大范围的测量，当单稳态产生的波形为高电平时计多谐产生的脉波个数即为电容数值。计数部分74290构建的三个十进制计数器，采用7448驱动BS201半导体数码管显示，增加的单位显示部分是该方案更加完善。1.2.2 系统方案论证与选择方案一 容抗法测量电容电路其设计思想是首先利用一定频率（例为400Hz）的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C / VCA转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC / DC转换期取出平均值电压V0，送至31/2位或41

5、/2位A/D转换器。由于平均值电压V0Cx，只要适当调节电路参数，即可直读电容量。优缺点：容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。但精度不高，分立元件太多方案二 利用充放电法测量电容其设计思想是利用对被测电容进行冲放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路。其原理流程方框图1如下：由555构成一个多谐振荡器。在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。由555构成的单稳态触发器外加一反向器作为控制计数脉波，将所计下的数送给74290计数，然后通过74273锁存送给显示管显示。综上所述，选择第二种方案进行设计。1.1.3总

6、体框图74290构成的计数器多谐触发器电路单稳态触发器电路7448驱动显示单位7448驱动显示数值图 1 系统组成框图2单元电路的设计2.1 直流稳压电源设计2.1.1整流电路采用直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。（4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。2.1

7、.2直流稳压电源的原理框图分析220V变压电路整流电路滤波电路稳压电路接负载图2 直流稳压电源框图采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。2.1.3直流稳压电源

8、特点采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。从电路中我们可看出，此电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与T2e点的电位进行比较（由于DZ1的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有T2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制T1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压稳定，Rp是一个可变阻器，调整它就可改变A点的电位（即改变取样值）由于T2e点的变化，T2c点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这种电路其输出电压灵活可

9、变，所以在各种电路中被广泛应用。图3 直流稳压电源电路图2.2 产生波形设计方案2.2.1 由555定时器搭建多谐振荡器 其产生的波形一方面用于计数，另一方面作为单稳态电路的输入。电路如图4所示：图4 多谐振荡器电路其工作原理如下：图5 多谐振荡器波形多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压UC略低于 ，Uo输出高电平，V1截止，电源UCC通过R1、R2 给电容C充电。随着充电的进行UC逐渐增高，但只要 ， 输出电压Uo就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压UC略微超过 时(即U6和U2均大于等于 时)， RS触发器置 0，使输出电压Uo

10、从原来的高电平翻转到低电平，即Uo=0，V1导通饱和，此时电容C通过R2和V1放电。随着电容C放电，UC下降，但只要， Uo就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于 时，RS触发器置 1，电路输出又变为Uo=1，V1截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲。其工作波形如图5所示。2.2.2由555定时器搭建单稳态触发器所产生波形用于控制计数。其电路图如图6：图6 单稳态触发电路电路如图2.2所示，由555定时器组成的单稳触发器，它既为下一级的多谐触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。单稳触发器占空比为为了使计数器在单稳触发器高

11、电平时开始计数，应在单稳波形后加一级反相器。由555组成的多谐振荡器的振荡周期为为了便于计算，式中取，则上式可化为。计数器在单稳触发器高电平时（经过反相器变换为低电平后）开始计多谐振荡器的周期数，满足下述关系式即若要显示器直接显示出的值，则应该满足，所以2.3 计数加锁存电路本设计采用三片74290构成三个十进制计数器，在单稳态输出脉波的控制下计数来自多谐的脉波数，然后将数值送到74273进行锁存，如图7所示为数据计数和锁存部分的电路。由于电容很小时，充放电时间很短，而波形是不断产生的，计数器就会一直在零和最大值之间循环，读取数据时很不方便，因此就需要一个数据锁存器将电容的数值锁存。当单稳触发

12、器第一个完整波形时间内计数完毕后，单稳恢复低电平，锁存器将显示的电容数值锁存起来，不会在单稳下一个高电平时继续循环计数，以便于读取电容值。图7 计数器和锁存器2.4 显示部分设计方案采用7448驱动七段显示数码管LED进行显示，显示来自74273锁存的数值，如图8所示；另外，该方案还增加了单位的设计，并且设计中用两个电阻来调节待测电容的范围，电路如图9：图8 7448驱动数码管显示数值电路图9 显示单位电路如图9所示为单位显示电路。该电路可区分两种单位显示，分别为 和 。当单刀双掷开关所接电阻为 时，显示为，表示单位为 ；当所接电阻为 M，时，显示为，与 加以区分，表示单位为 。3总体电路图及

13、仿真结果3.1该方案的总体电路图如下：3.2仿真结果如下图4 结束语此次课程设计中我们三个队员投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我们没有气馁，没有退缩，积极向老师请教，并且一遍又一遍的重复实践，直到我们期望的结果实现。事实也证明我们的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我们带来了成功的喜悦！ 通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！通过这次的

14、电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对protel 99、和EWB等仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。在这过程中，我感受到了各位指导老师对学生的那种诲人不倦的精神，当我们遇到些不能解决的问题时，李老师还有王老师都给予我们一些建议，使我们少走弯路，顺利完成设计任务，请允许我向你们致意崇高的敬意，感谢你们，老师！附录附录 器件清单序号

15、名称型号个数15552274290337427324744845LED46电阻9.11751038电容0.012910110待测电容471附录 参考文献1 康华光.电子技术基础：模拟部分.第5版.北京：高等教育出版社，2000 2 阎石.数字电子技术基础.第5版.北京：高等教育出版社，20063 谢嘉奎.电子线路：线性部分.第4版.北京：高等教育出版社，19994 童诗白.模拟电子技术基础.第3版.北京：高等教育出版社，20015 李良荣.现代电子设计技术.北京：机械工业出版社，20046 郑家龙.集成电子技术基础教程.北京：高等教育出版社，20027 瞿安连.应用电子技术.北京：科学出版社，20038 M. Morris Mano. Digital Design. 3rd ed. Beijing: Pearson Education North Asia Limited and Higher Educatian press,2002附录 实物连线图