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電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題: 三位數(shù)字電容表 專業(yè)班級(jí):新能源科學(xué)與工程 學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師: 設(shè)計(jì)時(shí)間: 2015.7.11-7.15 常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院題目 三位數(shù)字電容表一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.使用交流220V單相供電,經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電,供給整個(gè)電路工作。2.電容表測(cè)量范圍1999F,使用3 位數(shù)碼管顯示。3.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(kāi)始測(cè)試,測(cè)試結(jié)束后,顯示待測(cè)電容值。按復(fù)位按鈕,電路復(fù)位,顯示值清零,準(zhǔn)備下一次測(cè)試。參考原理框圖圖1 原理框圖表示參考原理:采用間接法測(cè)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(zhǎng);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(cè)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(cè)量尺度,在被測(cè)電容充電時(shí)間的同時(shí),將控制閘門打開(kāi),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(cè)電容的容量。 二、方案設(shè)計(jì)與論證1因?yàn)殡娙萜鞯某潆姇r(shí)間和其容量大小有關(guān),所以可以將待測(cè)電容放入電路中,通過(guò)測(cè)量電容充電時(shí)間來(lái)測(cè)量電容值,用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,所以單穩(wěn)態(tài)的高電平持續(xù)時(shí)間就是電容充電時(shí)間。2 用555定時(shí)器組成多諧振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖,作為單穩(wěn)態(tài)發(fā)生電路所提供的脈寬的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量尺度。3用計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器顯示的脈沖個(gè)數(shù)即為被測(cè)電容的容量。4基本原理計(jì)算公式三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1.使用交流220V單相供電,經(jīng)整流變壓產(chǎn)生直流電5V圖2 直流電5V2.555定時(shí)器構(gòu)成的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(méi)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(lái)回轉(zhuǎn)換,故又稱它為無(wú)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(lái)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(zhǎng)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(guò)電阻R2和放電管放電,電路進(jìn)入第個(gè)暫穩(wěn)態(tài),其維持時(shí)間Tpl的長(zhǎng)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(lái)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。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圖3 555多諧振蕩器3.555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理:?jiǎn)畏€(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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(wú)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(kāi)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?,放電管VT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(lái),又重復(fù)上述過(guò)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)工作波形高電平脈寬時(shí)間T=1.1*R1*C圖4 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4脈沖計(jì)數(shù)電路與數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)部分選用三片74LS192十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)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(shuō)明,以及查閱相關(guān)圖書電路設(shè)計(jì)了如右圖的電路用來(lái)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(cè)周期開(kāi)始計(jì)數(shù)前產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平來(lái)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(kāi)始為止的脈沖輸入信號(hào)。圖5 74LS192引腳分布圖圖6 CD4511引腳分布圖圖7 脈沖計(jì)數(shù)與數(shù)碼顯示5.待測(cè)電容計(jì)算公式設(shè)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈寬時(shí)間為 T=1.1*R1*Cx多諧振蕩器脈沖周期為 t=0.7*(R5+2*R6)*C3單穩(wěn)脈寬下的脈沖個(gè)數(shù)為 D待測(cè)電容的值為 Cx=D*10(-6)所以可得下列等式: 所測(cè)的電容值默認(rèn)單位為uF四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖8 總原理圖1元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注R1R2R3R4R8/R9/R10電阻9.1k*2+9105.1k*23k51330111121C1Cf1Cf2電容100nF1uF10nF111U1/U2/U374LS1923U4/U5/U64511CD-5V3U7/U8/U9共陰極數(shù)碼管3U10A/U12A/U13A74LS003五、安裝與調(diào)試六、結(jié)論與心得本次的電子課程設(shè)計(jì)有一定的難度,雖然是兩個(gè)人合作,但是困難還是重重。我們被分配到的任務(wù)是三位數(shù)字電容表。老師第一節(jié)課大概講了一下我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思路,剛開(kāi)始真的無(wú)從下手,通過(guò)查閱各種各樣的資料了解需要的元器件的引腳功能,自己通過(guò)看視頻學(xué)習(xí)Multisim軟件的使用方法,學(xué)習(xí)各種元器件的應(yīng)用方法。設(shè)計(jì)電路是最難的部分,所以我們先一部分一部分的進(jìn)行,先是555多諧振蕩器,然后是555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,計(jì)數(shù)器,最后是數(shù)碼管。在軟件上仿真的時(shí)候因?yàn)閿?shù)碼管上多接了一個(gè)電阻,所以導(dǎo)致高位的計(jì)數(shù)器沒(méi)有示數(shù)。仿真結(jié)果出來(lái)后,為了減少誤差,我們又對(duì)多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻進(jìn)行調(diào)整,盡量減小誤差。前三天進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真模擬,后兩天進(jìn)行實(shí)物連接與硬件調(diào)試。這也是我們第一次接觸面包板,以前都是通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)電路。用面包板最大的隱患就是可能會(huì)有虛接。所以我們做每一部分的時(shí)候都特別小心,井然有序,盡量不自亂陣腳。電路圖與實(shí)物圖之間還是有很大的差別的,要提前想好如何在面包板上擺放元器件的位置,盡量利用有限的面包板的空間,盡量減少交叉線,使整體看上去整齊一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)課程設(shè)計(jì)的原理圖,來(lái)確定需要的功能模塊。再根據(jù)對(duì)應(yīng)模塊,來(lái)初步確定所需的器材。然后查找各個(gè)芯片的功能和建議電容表的工作原理,最終確定制作方案。本次方案的實(shí)施是有序進(jìn)行的,我們小組通過(guò)對(duì)每個(gè)功能模塊的討論和研究,盡量把每個(gè)功能模塊都做好,最后再將所有的功能模塊整合在一起。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路還是很清晰的,但是所需要的器件是比較多的,這就需要我們對(duì)每個(gè)器件的功能要深入地了解。就這樣,我們的仿真部分做得還算順利。在具體的硬件制作過(guò)程中就出現(xiàn)了一些問(wèn)題。所需的器件較多,帶來(lái)的后果就是要連的線就多,如果器件的擺放位置不合理,就會(huì)使面包板的制作變得異常艱難。所以我們又進(jìn)行了一番討論最終定硬件安裝方案。在連實(shí)物圖的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)各種各樣的情況,這是就要充分利用身邊現(xiàn)有的檢驗(yàn)器件,如萬(wàn)用表,示波器。一定要善于借助儀器幫助分析判斷電路中所存在的問(wèn)題,如活用萬(wàn)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(cè)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)這樣做可以為以后的連線掃除障礙。在這次的實(shí)驗(yàn)中,也讓我充分明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。自己的能力是有限的,要善于與別人合作,發(fā)現(xiàn)別人身上的閃光點(diǎn),進(jìn)而更加清楚的認(rèn)識(shí)自己,提升自己。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,老師也給予了我們很多幫助,幫我們解決了很多困難。這次的實(shí)驗(yàn)讓我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(wú)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
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