數(shù)電課程設(shè)計(jì)---簡單數(shù)字式電容測量儀

1、<p>　　《電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題 目 簡單數(shù)字式電容測量儀 </p><p>　　學(xué)院（部） </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　12 月 19 日至 12 月 30 日 共 2 周</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽字） </p><

3、;p>　　簡單數(shù)字式電容測量儀</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)通過直接根據(jù)周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)目判斷電容值的方法，測量待測電容的大小，是基于555定時(shí)器連接構(gòu)成多諧振蕩器以及計(jì)數(shù)器分頻器鎖存器而測電容的。多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中中間兩個(gè)所涉及的電容，即是被測量的電容。其脈沖輸入信號(hào)是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。而兩邊的多諧振蕩器

4、的電容式已知的，這樣便可以定量的確定被測電容的容值范圍.待測電容首先產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過分頻器，計(jì)數(shù)后，若超出量程，則發(fā)出警報(bào)，若未超出，可接著測量，脈沖通過鎖存器之后，LED數(shù)碼管中顯示出來。</p><p>　　關(guān)鍵詞 多諧振蕩 標(biāo)準(zhǔn)脈沖 分頻器 鎖存器 電容測量</p><p><b>　　技術(shù)要求</b></p><p>　　

5、1、 測試電容容量范圍為100PF~100UF;</p><p>　　2、應(yīng)設(shè)計(jì)3個(gè)以上的測量量程；</p><p>　　3、用四位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果；</p><p>　　4、用紅、綠發(fā)光二極管便是單位。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要·

6、83;····································&

7、#183;····2</p><p>　　方案論證與選擇··························

8、3;···4</p><p>　　二、單元設(shè)計(jì)····························&#

9、183;·········7</p><p>　　2、1多諧振蕩器的工作原理···················7</p>

10、<p>　　2、2數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)·····················9</p><p>　　2、3鎖存器74LS273的設(shè)計(jì)·····

11、;··············10</p><p>　　三、電路綜述·················&#

12、183;····················12 </p><p>　　3、1 實(shí)驗(yàn)電路圖··········

13、······················12</p><p>　　3、2所用元器件表格·········

14、;·····················14 </p><p>　　四、收獲與體會(huì)，存在的問題等········

15、;··············15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　鳴謝</b></p><p><b>　　一、方案論證與選擇&l

16、t;/b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)中考慮了三種設(shè)計(jì)方案，三種設(shè)計(jì)方案中主要區(qū)別在于硬件電路和軟件設(shè)計(jì)的不同，對于本設(shè)計(jì)三種方案均能夠?qū)崿F(xiàn)，最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求、可行性和設(shè)計(jì)成本的考慮選擇了方案三，根據(jù)周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)目判斷電容值?，F(xiàn)在一一介紹論證如下：</p><p>　　方案一、利用多諧振蕩原理測量電容測量原理如下圖所示。電容C電阻R和555芯片構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩電路。在電源剛接

17、通時(shí)(K合上)，電容C上的電壓為零，多諧振蕩器輸出為高電平 通過R對電容C充電。當(dāng)C上沖得的電壓= 時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖?，C又通過R放電，下降。當(dāng)= 時(shí)施密特觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，輸出又變?yōu)楦唠娖?，如此往?fù)產(chǎn)生震蕩波形。</p><p>　　由測得的校準(zhǔn)值測量值及存放的軟件中的標(biāo)準(zhǔn)電容值C可得出待測電容值。實(shí)際應(yīng)用中也可以通過測量和來算出CX</p><p>　　測量誤差分析：可以看出

18、，經(jīng)過軟件校準(zhǔn)后得出的結(jié)果與的值有關(guān)。這樣單片機(jī)晶振頻率的絕對精度，環(huán)境溫度的變化和電源電壓的絕對精度引起的誤差被消除。測量結(jié)果主要受標(biāo)準(zhǔn)電容的絕對精度影響，因此應(yīng)該選擇精度高、穩(wěn)定性好的；其他誤差來源包括周期測量的量化誤差，除法運(yùn)算產(chǎn)生的余數(shù)誤差，電源電壓的波動(dòng)造成諧振頻率偏移帶來的誤差，因此電路要用穩(wěn)壓性能好的穩(wěn)壓電源</p><p>　　這種方法的利用了一個(gè)參考的電容實(shí)現(xiàn)，雖然硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)卻相對比

19、較復(fù)雜。</p><p>　　方案二、直接根據(jù)充放電時(shí)間判斷電容值</p><p>　　這種電容測量方法主要利用了電容的充放電特性，放電常數(shù)，通過測量與被測電容相關(guān)電路的充放電時(shí)間來確定電容值。一般情況下，可設(shè)計(jì)電路使( T為振蕩周期或觸發(fā)時(shí)間；A為電路常數(shù)與電路參數(shù)有關(guān))。這種方法中應(yīng)用了555芯片組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用下產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，從而確定脈沖時(shí)間，

20、通過設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，使計(jì)數(shù)值與被測電容相對應(yīng)。其原理框圖如圖2所示：</p><p>　　圖2 電路原理框圖</p><p>　　誤差分析：這種電容測量方法的誤差主要由兩部分組成：一部分是由555芯片構(gòu)成的振蕩電路和觸發(fā)電路由于非線性造成的誤差，其中最重要的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差，(T由充放電時(shí)間決定，是被測電容值)；另一部分是由數(shù)字電路的量化誤差引起，是數(shù)字電路特有的誤差該誤

21、差相對影響較小，可忽略不計(jì)。</p><p>　　這種方法硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實(shí)際上是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負(fù)擔(dān)，但在具體設(shè)計(jì)中會(huì)碰到很大問題，而且硬件一旦設(shè)計(jì)好，可變性不大。</p><p>　　方案三：直接根據(jù)周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)目判斷電容值</p><p>　　這種電容測量方法是用待測電容構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，用周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)目表示電容的大小。&l

22、t;/p><p><b>　　圖3 原理圖</b></p><p><b>　　二、單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、多諧振蕩器的工作原理</p><p>　　圖4 555構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　振蕩器是數(shù)字電容測量儀的核心，振蕩器的穩(wěn)定度以及其所產(chǎn)

23、生的基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定度決定了數(shù)字電容測量儀的準(zhǔn)確度，通常選用石英晶振構(gòu)成振蕩電路。在要求不高的情況下可以選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。</p><p>　　555組成多諧振蕩器的工作原理如下：</p><p>　　接通電源Vcc后，Vcc經(jīng)電阻R1和R2對電容C充電，其電壓UC由0按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC≥2/3VCC時(shí)，電壓比較器C1和C2的輸出分別為UC1=0、UC2=1，基本RS觸發(fā)器被置

24、0，Q=0、Q’=1,輸出U0躍到低點(diǎn)平UoL。與此同時(shí)，放電管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C放電，Uc下降到Uc≤1/3Vcc時(shí)，則電壓比較器C1和C2的輸出為Uc1=1、Uc2=0，基本RS 觸 發(fā)器被置1，Q=1，Q’=0，輸出U0 由低點(diǎn)平UoL躍到高電平UoH。同時(shí)，因Q’=0，放電管V截止，電源Vcc又經(jīng)過電阻R1和R2對電容C充電。電路又返回前一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓Uc將在2/

25、3Vcc和1/3Vcc之間來回充電和放電，從而使電路產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形脈沖。</p><p>　　圖2 555多諧振蕩器的工作波形</p><p>　　多諧震蕩周T為： T=T1+T2。t1為電容C上的電壓由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的時(shí)間，充電回路的時(shí)間常數(shù)為R2C。T1可用下式估算</p><p>　　T1=（R1+R2）Cln2≈（R1+R2）Cln

26、2 </p><p>　　T2為電容C上的電壓由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的時(shí)間，放電回路的時(shí)間常數(shù)為R2C。 T2可用下式估算 </p><p>　　T2=R2Cln2≈R2Cln2　　　　　　　　　　</p><p>　　所以，多諧振蕩器的振蕩頻率周期T為</p><p>　　T =T1+T2≈（R1+2R2）Cln

27、2 </p><p><b>　　振蕩頻率為</b></p><p>　　f =1/T=1/（（R1+2R2）Cln2） </p><p>　　所涉及的多諧振蕩器的波形如圖： </p><p>　　圖5 多諧振蕩器電路仿真波形</p><p>　　2、數(shù)字顯示電

28、路的設(shè)計(jì)：</p><p>　　我們采用74LS160作為計(jì)數(shù)器，74LS160引腳圖如圖6：</p><p>　　圖6 74LS160引腳圖</p><p>　　74LS160的 A、B、C、D為輸入端，QA、QB、QC、QD為輸出端，RCO為進(jìn)位輸出端，CLK為脈沖輸入（低電平有效），ENP、ENT為計(jì)數(shù)制端，CLR為異步清除輸入端（低電平有效），LOAD為

29、同步并行置入控制端（低電平有效）。</p><p>　　圖7所示的是由4片74LS160組成的異步10000進(jìn)制計(jì)數(shù)器，把個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端RCO接到十位計(jì)數(shù)器的CLK端。第一片每計(jì)到9時(shí)RCO端輸出變?yōu)楦唿c(diǎn)平，下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)后，第一片計(jì)成0狀態(tài)，而第二片計(jì)成1，可見，這4片74LS160不是同步工作的。</p><p>　　計(jì)數(shù)器的輸出端接到只有四引腳的八段數(shù)碼顯示管上，數(shù)碼管上

30、顯示的數(shù)值即為計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)。</p><p><b>　　圖7 計(jì)數(shù)電路圖</b></p><p>　　3、鎖存器74LS273的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖8 74LS273的電路圖</p><p>　　74LS273是一種帶清除 除功能的8D觸發(fā)器， D0～D7為數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q7為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖

31、觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。引腳介紹：1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;當(dāng)1腳為高電平時(shí), 11腳CP（CLK）觸發(fā)端 ，鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在輸出腳2(Q0)、5(Q1

32、)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.</p><p>　　在該電路中，74LS273的作用相當(dāng)于鎖相環(huán)，其作用是：利用負(fù)反饋使輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率之間存在精確的成倍數(shù)關(guān)系，顯示出待測電容的大小。構(gòu)成的電路如圖7所示 ：</p><p>　　圖9 74LS273構(gòu)成的電路圖</p><p><b>

33、;　　三、系統(tǒng)綜述</b></p><p><b>　　1、實(shí)驗(yàn)總電路圖</b></p><p><b>　　圖10 總電路圖</b></p><p>　　由待測電容和555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多謝振蕩器，經(jīng)分頻器有兩路輸出：一路是三輸出，經(jīng)反相器后對計(jì)數(shù)器進(jìn)行低電平清零；另一路是九輸出，是對計(jì)數(shù)器清零后的五個(gè)周期

34、內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)進(jìn)行鎖存并在顯示器中顯示。其中標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖是由555定時(shí)器構(gòu)成的高頻率脈沖波形，經(jīng)計(jì)數(shù)器后經(jīng)鎖存器鎖存，再在顯示器中顯示其脈沖數(shù)目，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖超過量程時(shí)，會(huì)在最高位的計(jì)數(shù)器后有一個(gè)進(jìn)位脈沖，該脈沖會(huì)在報(bào)警裝置中產(chǎn)生一段時(shí)間的高頻率脈沖波，進(jìn)行超量程報(bào)警。</p><p>　　當(dāng)待測定然為4UF時(shí)的，調(diào)試結(jié)果如圖11：</p><p>　　圖11 調(diào)試結(jié)果</p&

35、gt;<p>　　待測電容構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過分頻電路可以在輸出端產(chǎn)生與輸入等周期時(shí)間長度的高電平，并且循環(huán)周期是輸入的十倍。輸出三支路經(jīng)反相器后接74160計(jì)數(shù)器的清零端，之后經(jīng)5個(gè)周期后，輸出9支路產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖對鎖存器進(jìn)行上升沿觸發(fā)，將計(jì)數(shù)器經(jīng)5個(gè)周期時(shí)間產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)目輸入鎖存，并經(jīng)四個(gè)顯示器加以顯示，顯示的脈沖數(shù)目為實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)目的十分之一，這樣可以使得顯示的誤差接近零。</p>

36、<p><b>　　2、所用元器件表格</b></p><p>　　四、收獲與體會(huì)，存在的問題等</p><p>　　經(jīng)過兩個(gè)星期的實(shí)習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時(shí)滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令我回味無長。 生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。

37、通過實(shí)習(xí)，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識(shí)到老一輩電子設(shè)計(jì)為我們的社會(huì)付出。我想說，設(shè)計(jì)確實(shí)有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會(huì)能有實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來天的合作，我感覺我和同學(xué)們之間的距離更加近了；我想說，確實(shí)很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時(shí)，心中也不免產(chǎn)生興

38、奮； 正所謂“三百六十行，行行出狀元”。我們同樣可以為社會(huì)作出我們應(yīng)該做的一切，這有什么不好？我們不斷的反問自己。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我們認(rèn)為無論干什么，只要人生活的有意義就可。 同時(shí)我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

39、t;p>　　1、 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 林濤 主編</p><p>　　2、《電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試》 謝自美 主編</p><p>　　3、《全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)系統(tǒng)》 黃智偉 主編</p><p>　　4、《基于Multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合運(yùn)用》 郭鎖麗 劉延飛 李琪 等主編</p>

40、;<p><b>　　鳴 謝</b></p><p>　　本論文是在我的老師鄧秋霞和楚老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，鄭老師都始終給予我們細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。半年來，鄧?yán)蠋煵粌H在學(xué)業(yè)上給我們以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向鄧?yán)蠋熤乱?/p>

41、誠摯的謝意和崇高的敬意。 </p><p>　　在此，我還要感謝在我們的課程設(shè)計(jì)的老師楚老師及研究生陳亮學(xué)長，正是由于你們的幫助和支持，我們才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至課程設(shè)計(jì)的順利完成。 </p><p>　　在課設(shè)即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意! </p><