常熟理工電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)常 熟 理 工 學(xué) 院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目： 3位數(shù)字電容表 姓 名： 鄧才明 學(xué) 號(hào)： 040111102 班 級(jí)： 1601112 指導(dǎo)教師： 陳景波 起止日期： 目錄“3位數(shù)字電容表的設(shè)計(jì)與制作”課程設(shè)計(jì)摘要3一、設(shè)計(jì)目的3二、任務(wù)與要求3三、儀器與器件4 四、方案的仿真與實(shí)物電路4-111. 555定時(shí)器組建單穩(wěn)態(tài)4-62. 555定時(shí)器組建多諧振蕩器6-93. 74LS192、CD4511及共陰數(shù)碼組建顯示部分10-11五、設(shè)計(jì)總結(jié).12六、設(shè)計(jì)的收獲及體會(huì)12附錄1、2、313-16參考文獻(xiàn).163位數(shù)字電容表的設(shè)計(jì)與制作鄧才明常熟理工電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，20130707摘要 下面所設(shè)計(jì)的是一種精度一般，操作簡便的電容測量儀。此電容表設(shè)計(jì)是基于待測脈沖TW與待測電容C成正比用于控制清零和顯示，標(biāo)準(zhǔn)脈沖用于計(jì)數(shù)-譯碼-顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。一、 設(shè)計(jì)目的根據(jù)常用的電子技術(shù)知識(shí)，以及可獲得技術(shù)書籍與電子文檔，初步形成電子設(shè)計(jì)過程中收集、閱讀及應(yīng)用技術(shù)資料的能力；熟悉電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程；掌握分析電路原理、工程計(jì)算及對(duì)主要技術(shù)性能進(jìn)行測試的常見方法；最終，完成從設(shè)計(jì)圖紙到實(shí)物搭建的整個(gè)過程，并調(diào)試作品。二、 任務(wù)與要求1.電容表測量范圍10pF9990F，使用3 位數(shù)碼管顯示，可分為若干檔位，每檔的最小單位或倍率視檔位而定。2. 電路設(shè)有啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕。按啟動(dòng)按鈕后，電路開始測試，測試結(jié)束，顯示待測電容值。按擊復(fù)位按鈕，電路復(fù)位，準(zhǔn)備下一次測試。3. 電容測試值為檔位倍率與3位數(shù)的乘積。參考原理框圖圖1- 原理框圖參考原理：采用間接法測量電容的容量。電容器的充電時(shí)間和其容量大小有關(guān)，容量大的電容需要的充電時(shí)間長；容量小的電容需要的充電時(shí)間短。當(dāng)選定固定電阻后，充電時(shí)間就與電容容量大小成正比。利用電容這一特性，將被測電容的充電時(shí)間作為門控信號(hào)，將基準(zhǔn)脈沖發(fā)生電路所提供的脈寬作為測量尺度，在被測電容充電時(shí)間的同時(shí)，將控制閘門打開，讓計(jì)數(shù)與顯示電路統(tǒng)計(jì)并顯示輸入計(jì)數(shù)器脈沖的個(gè)數(shù)，電容充電結(jié)束的同時(shí)將控制閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù)即為被測電容的容量。三、 儀器與器件實(shí)物電路元件：555定時(shí)器（2個(gè)）、74LS192十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（3個(gè)）、CD4511七段譯碼器、共陰極的數(shù)碼管（3個(gè)）、7408N與門（1個(gè)）、排阻200歐姆電阻（3x7個(gè)）、 100千歐姆（2個(gè)）、2千歐姆、9.1千歐姆及150歐姆（各1個(gè)）、自動(dòng)復(fù)位開關(guān)（2個(gè)）、電容10納發(fā)（3個(gè)）、0.47微發(fā)及2.2微發(fā)（各1個(gè)）。安裝調(diào)試工具：操作臺(tái)、穩(wěn)壓電源、面包板、斜口鉗、鑷子、數(shù)字式萬用表等。四、 方案的仿真與實(shí)物電路1.555定時(shí)器組建單穩(wěn)態(tài) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)是電路有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號(hào)作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到 暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自 動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在輸出端獲得一個(gè)脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就 是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，其長短取決于電路的參數(shù)值。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形如圖2所示。圖中R，C為外接定時(shí)元件，輸人的觸發(fā)信號(hào)Ui接 在低電平觸發(fā)端（2腳）穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出Uo為低電平，即無觸發(fā)器信號(hào)（Ui為高電平）時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)輸出低電平。在 Ui負(fù)脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于（1/3）Vcc，觸發(fā)信號(hào)，輸出Uo為高電平，放電管VT截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開始。 在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源VccRC地，對(duì)電容充電，充電時(shí)間T1.1RC，Uc按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容兩端電壓Uc上升到（2/3）Vcc后，6端為高電平，輸出Uo變?yōu)榈碗娖剑烹姽躒T導(dǎo)通，定時(shí)電容C充電結(jié)束 ，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)Uo為低電平的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來，又重復(fù)上述過程。工作波形如圖2（b）所示。輸出電壓Uo的脈寬tw=1.1RC。由于R的取值在幾百歐至幾兆歐之間，電容取值在幾百皮法到幾百微法。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個(gè)微妙到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%。由圖2（b）可知，如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，加入心的觸發(fā)脈沖（如圖2（b）中的虛線所示），則脈沖對(duì)電路不起作用，電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器。 （a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作電路 （b）工作波形圖2-555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器仿真圖：圖3-單穩(wěn)態(tài)仿真圖4-單穩(wěn)態(tài)仿真示波器2.555定時(shí)器組建多諧振蕩器多諧振蕩器的工作原理多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱作多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1（a）所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并聯(lián)后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于(1/3)Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C充電，使 電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出Uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把Uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間Tph的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=0.7（R1R2）C。由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)入第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間Tpl的長短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)T放0.7R2C隨著C的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出Uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對(duì)電容C充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖1（b）所示為工作波形。圖5-555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器根據(jù)Uc的波形圖可以確定振蕩周期為 T=Tpl+TphTph對(duì)應(yīng)充電時(shí)間 Tph=0.7（R1+R2）CTpl對(duì)應(yīng)放電時(shí)間 Tpl=0.7R2C振蕩周期 T=Tpl+Tph=0.7（R1+2R2）C振蕩頻率 f=1/T仿真圖：圖6-555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器仿真圖7-555多諧振蕩器仿真示波器圖8-單穩(wěn)態(tài)與多諧振蕩實(shí)物電路示波器觀察圖理論分析注釋：由示波器觀察可知，單穩(wěn)態(tài)脈寬需大一點(diǎn)也即Tw=1.1R0C0大寫好（C0為待測電容），而同時(shí)多諧振蕩Tc=Tw1+Tw2=0.7C(2R2+R1) 其中C為已知值（0.01微發(fā)）,又需要其頻率高些也即Tc小些，使得計(jì)數(shù)更精確些，具體來講就是一定有半個(gè)周期的時(shí)間未算入進(jìn)去也即DTCTw C0=DTC Tw= 0.7C1(2R2+R1)D1.1R0其中D計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)也即顯示數(shù)，要使D=C0 ,則1.1R00.7C1(2R2+R1)只能等于1，也即同增、同減，因此前后就有矛盾；解決方法只能大倍率K,使得KTC Tw=1，倍率的增大，同時(shí)也就縮小了C0測量的范圍，由此可得若要精確的測量，必須增大位數(shù)。3.74LS192、CD4511及共陰數(shù)碼組建顯示部分(一) 、計(jì)數(shù)脈沖的產(chǎn)生通過555定時(shí)器待測電容C產(chǎn)生的單脈沖與555產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)的多諧振蕩矩形脈沖與一下（7408與門），輸送給第一個(gè)計(jì)數(shù)器的5號(hào)引腳。 圖9-計(jì)數(shù)脈沖的產(chǎn)生(二) 、計(jì)數(shù)部分計(jì)數(shù)部分選用三片74LS192十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。同時(shí)還需要考慮對(duì)MR清零處理，這也是部分的關(guān)鍵之一。根據(jù)參考74LS192的芯片資料說明（見附錄3）以及查閱相關(guān)圖書電路設(shè)計(jì)了如右圖的電路用來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。對(duì)于MR的清零處理，其實(shí)就是要在一個(gè)待測周期開始計(jì)數(shù)前產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平來實(shí)現(xiàn)清零，然后一直為低電位直到下一個(gè)周期脈沖開始為止的脈沖輸入信號(hào)。如下圖： 圖10-74LS192計(jì)數(shù)部分仿真電路圖11-下拉電阻，使MR從低電平瞬間切換為高電平，異步清零，然后自動(dòng)復(fù)位注意分析：此處的下拉電阻，把單刀開關(guān)起到了雙刀開關(guān)作用，由低電平切換到高電平。如果是下拉電阻，則可實(shí)現(xiàn)由高電平切換到低電平。為數(shù)字電路中常用電路。(三) 、顯示部分此部分由CD4511七段譯碼器和共陰極數(shù)碼管構(gòu)成的，其芯片資料及說明見附錄3 當(dāng)時(shí)考慮過，用CD4511的5號(hào)引腳鎖存使能端接個(gè)非門與單穩(wěn)態(tài)的3號(hào)引腳輸出端相接，這樣顯示最后不會(huì)上下跳動(dòng)，但與此同時(shí)卻會(huì)使MR異步清零不起作用。因此還是沒有采用此思路。需注意的：CD4511七段譯碼器常與共陰極數(shù)碼管（LG5611AH）連接，若是共陽（LG5611BH）的就會(huì)出現(xiàn)問題。五、 設(shè)計(jì)總結(jié) 3位數(shù)字電容表的設(shè)計(jì)需要我們有足夠的耐心和精力，要充分運(yùn)用各種資源查找我們所需的資料。仿真時(shí)，要學(xué)習(xí)用軟件來模擬實(shí)際電路并能夠通過現(xiàn)象來解決存在的問題。如果不是焊板子，而是采用面包板搭接，一定要注意虛插。更重要的是，不管是前者還是后者，在搭建時(shí)都應(yīng)該注意電子工藝的一般方法，步步為營，各個(gè)擊破，每個(gè)單元模塊都要做好，個(gè)個(gè)模塊弄好之后再系統(tǒng)連接起來。一定要善于借助儀器幫助分析判斷電路中所存在的問題，如活用萬能表，歐姆檔判斷所有的高低電平是否共線，芯片之間引腳連接是否有虛斷等（在檢測時(shí)可以用鉛筆標(biāo)出，方便下次查找），電壓檔的使用，都非常有用；然后就是示波器，分析動(dòng)態(tài)電位信息，但對(duì)于示波器自認(rèn)為用的不是很上手；函數(shù)發(fā)生器的使用等，有這些儀器能讓自己排除出許多可疑點(diǎn)，最終還是能找到原因的。（同時(shí)也一定要注意正確使用儀器）六、 設(shè)計(jì)的收獲及體會(huì)得到了一次很深刻的鍛煉，從仿真不出效果到最終的出效果，使己建立了信心；實(shí)物電路的波折不斷，虛心探討，主動(dòng)請(qǐng)教，從無奈躁動(dòng)、想放棄，到最后被迫熟悉儀器更多的使用，最后幫助2組檢查排除錯(cuò)誤的喜悅。更值得慶幸的是，了解了一番電子設(shè)計(jì)的一般思路方法，方案的討論仿真，實(shí)際電路的步步為營、個(gè)個(gè)擊破，積極的堅(jiān)持而不是維持，自信心的建立.附錄1圖12-總