整理文檔整理文檔濃※※※※※※※※濃2012級電子科學與技術(shù)專業(yè)法次數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計※濃※※※※※※※※數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告書課題名稱數(shù)字電容測量儀的設(shè)計姓名吳亞香學號1212501-35學 院通信與電子工程學院

電子科學與技術(shù)指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 張學軍 2014年6月10日、設(shè)計任務(wù)及要求:設(shè)計任務(wù):設(shè)計一個數(shù)字電容測量儀。求:被測電容的容量在0.0"至100卩F范圍內(nèi)。(2)設(shè)計測量量程。(3)用(2)設(shè)計測量量程。(3)用3位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，測量誤差小于5%。(4)采用Multisim11進行仿真，驗證和完善設(shè)計方案。(4)指導(dǎo)教師簽名: 2014年月日二、指導(dǎo)教師評語:指導(dǎo)教師簽名:

數(shù)字電容測量儀的設(shè)計1設(shè)計目的掌握multisim12仿真軟件的應(yīng)用技巧。掌握電容數(shù)字測量儀的設(shè)計組裝與調(diào)試方法。熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理。2設(shè)計思路本設(shè)計中用555振蕩器產(chǎn)生一定周期的矩形脈沖作為計數(shù)器的CP脈沖也就是標準頻率。同時把待測電容C轉(zhuǎn)換成寬度為tw的矩形脈沖，轉(zhuǎn)換的原理是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬tw與電容C成正比。把此脈沖作為閘門時間和標準頻率脈沖相“與”得到計數(shù)脈沖，該計數(shù)脈沖送計數(shù)一譯碼顯示系統(tǒng)就可以得到電容量的數(shù)據(jù)。外部旋鈕控制量程的選擇。用計數(shù)器控制電路控制總量程。。3設(shè)計過程3.1設(shè)計框圖外接電容圖1數(shù)字電容測量儀原理圖整理文檔整理文檔3.2多諧振蕩器電路的設(shè)計振蕩器是數(shù)字電容測量儀的核心，振蕩器的穩(wěn)定度以及其所產(chǎn)生的基準頻率的穩(wěn)定度決定了數(shù)字電容測量儀的準確度，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)成的多諧振蕩器如果圖2所示。555組成多諧振蕩器的工作原理如下：接通電源Vcc后，Vcc經(jīng)電阻R和R對電容C充電，其電壓U由0按指數(shù)TOC\o"1-5"\h\z1 2 C規(guī)律上升。當u>2/3V時，電壓比較器C和C的輸出分別為u=0、U=1,C CC 1 2 C1 C2基本RS觸發(fā)器被置0,Q=0、Q'=1,輸出U躍到低點平U。與此同時，放電0 oL管V導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2和放電管V放電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容C放電，Uc下降到Uc<1/3Vcc時，則電壓比較器C和C的輸出為U=1、U=0,1 2 c1 c2基本RS觸發(fā)器被置1,Q=1,Q'=0,輸出U由低點平U躍到高電平Uo。0 oL H同時，因Q'=0,放電管V截止，電源Vcc又經(jīng)過電阻R和R對電容C充電。12電路又返回前一個暫穩(wěn)態(tài)。因此，電容C上的電壓Uc將在2/3Vcc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，作為基準信號頻率。555組成多諧振蕩器輸出波形如圖3。VCC5VVCC>515QTR11>515dVCCRSTOUTDISTHRTRICONGND28毛1卩FC2干0.01卩F

C1555_VIRTUALTimer圖2555組成多諧振蕩器Xpas.piv^：□園函訶麗TimeChannelAChannelB722.827ms0.000V0.000VReverse722,827msQ.QQOVQ.QQQV—D.000s0.000V□.□00VSaveChannelAChannelBTriggerScale:5V/DivSole:5y/DivEdge:SE岡el扇1Ypcs.(Div):0Ypos.fDiu):0Level:0V岡甘|同?:①回叵國1?SingleNormalAuto|None圖3多諧振蕩電路及輸出波形3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的設(shè)計單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產(chǎn)生波形用于控制計數(shù)，由555定時器組成的單穩(wěn)觸發(fā)器，它既為下級的多諧觸發(fā)器提供輸入脈沖，又為后面計數(shù)器開始計數(shù)提供信號脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特特性具有如下特點：第一，它有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個不同的工作狀態(tài)；第二，在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，再自動回到穩(wěn)態(tài)；第三，暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù),與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。在圖4所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在電容測試中用作測量控制的，接通開關(guān)S2,單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，輸出脈沖的寬度等于暫穩(wěn)臺的持續(xù)時間，即Tw=1.1RCx(3—5),它控制與門脈沖使得時鐘脈沖通過開始計時，使得顯示的數(shù)字為被測電容容值大小的R倍。7S2VCC5VVCC：：1kQTR3；100kQR6,5VCCRSTOUTDISTHRTRICONGND7S2VCC5VVCC：：1kQTR3；100kQR6,5VCCRSTOUTDISTHRTRICONGND-pO.OI卩F丄Cxuia/\7404N-p0?01卩FC4555_VIRTUALTimer,Jl91kQR50.1卩F圖4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖3.4計數(shù)電路的設(shè)計74LS160D是集成同步十進制計數(shù)器，該計數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計數(shù)和保持四種功能有進位信號輸出端，可串接計數(shù)使用。圖5計數(shù)電路原理圖3.5總體電路圖整理文檔整理文檔5V555_VIRTUALTimerS2>55_VIRTUALTimer丄0.1RFIkEC4R5I['lOkQR474S08D5V5V555_VIRTUALTimerS2>55_VIRTUALTimer丄0.1RFIkEC4R5I['lOkQR474S08D5V圖6總體電路圖4系統(tǒng)調(diào)試與仿真結(jié)果4.1系統(tǒng)調(diào)試1uF-100uF檔位電路圖調(diào)試：我們將開關(guān)S1打到R=1kQ調(diào)試1uF-100uF檔位，顯示的數(shù)字為被測電容容值大小的R倍，將一個位于1uF-100uF范圍的標準電容接到測試端，我們以80uF為例，接通開關(guān)S2，使單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個控制脈沖，其脈沖寬度為Tw=RCxln3=1.1RCx，它控制與門脈沖使得時鐘脈沖通過開始計時，如果現(xiàn)實的數(shù)字不是80，則說明時鐘脈沖的頻率不符合要求，我們可以調(diào)節(jié)R1的大小重復(fù)上述步驟，直到符合要求為止。經(jīng)過調(diào)試我發(fā)現(xiàn)當R1=515。時最為合適。

0.01uF-1uF檔位電路圖調(diào)試:我們將開關(guān)打到R=100kQ測試0.01uF-1uF檔位,調(diào)試同上，以被測電容大小為0.56uF為例，如果現(xiàn)實的數(shù)字不是56，則說明時鐘脈沖的頻率不符合要求，我們可以調(diào)節(jié)R1的大小重復(fù)上述步驟，直到符合要求為止。經(jīng)過調(diào)試我發(fā)現(xiàn)當R1=515Q時最為合適。4.2仿真結(jié)果當S1打到R=1kQ,即選擇1uF-100uF檔位時，當被測電容為48uF時，仿真結(jié)果如下圖：74LS160DS2R5555_VIRTUALrimer圖7被測電容為48uF的仿真結(jié)果555_VIRTUALTimer 74LS160DS2R5555_VIRTUALrimer圖7被測電容為48uF的仿真結(jié)果555_VIRTUALTimer UA2 QABQBCQCDQDENPRCOENT-LOAD?~CLR74LS160D UA3 QABQBCQCDQDENPRCOENT-LOAD}~CLR74LS160D當S1打到R=100kQ，即選擇0.01uF-1uF檔位時，當被測電容為0.24uF時,仿真結(jié)果如下圖:DCD_HEX DCD_HEXDCD_HEX74LS160D74LS160D74LS160D圖8被測電容為0.24uFDCD_HEX DCD_HEXDCD_HEX74LS160D74LS160D74LS160D圖8被測電容為0.24uF的仿真結(jié)果555_VIRTUALrimer555_VIRTUALTimer4.3仿真結(jié)果分析當S1打到R=1kQ,即選擇luF-100uF檔位時，當被測電容為48uF時，數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字為48，不存在誤差；當S1打到R=100kQ，即選擇0.01uF-1uF檔位時，當被測電容為0.24uF時，數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字為25,存在4%的誤差,但是是在誤差的允許范圍內(nèi)。所以，設(shè)計的數(shù)字電容測量儀基本合格5主要器件和儀器設(shè)備555定時器定值電阻74LS160D74S08D反相器6設(shè)計體會這次課程設(shè)計讓我所學的知識得到了運用，讓我的動手能力得到了提高。在做課程設(shè)計的過程中，我遇到了幾個自己不能解決的問題，經(jīng)過老師和同學的幫助，最終將問題解決。因此，我才知道自己的專業(yè)知識不夠，而且我們所學的理論知識很重要，沒有堅實的知識基