簡易數(shù)字式電容測試儀

1、摘要本文介紹了一種簡易的數(shù)字式顯示電容測試儀的設(shè)計(jì)思路及硬件結(jié)構(gòu)。首先研究了數(shù)字電容測試儀的基本原理，畫出整機(jī)框圖，接著提出系統(tǒng)的性能指標(biāo)，計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度DC與電容C成正比，把電容C轉(zhuǎn)換成脈沖寬度為DC的矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計(jì)數(shù)器計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的個(gè)數(shù)，并送鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可測得電容的數(shù)值。時(shí)鐘脈沖可由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供。如果時(shí)鐘脈沖的各參數(shù)合適，數(shù)碼顯示的數(shù)字N便是待測電容C的值。關(guān)鍵字:多諧振蕩器；單穩(wěn)態(tài)振蕩器； 555,；計(jì)數(shù)器Abstract隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，數(shù)字電容測試儀的適用范

2、圍也逐漸廣泛起來。本文介紹了一種簡易的數(shù)字式顯示電容測試儀的設(shè)計(jì)思路及硬件結(jié)構(gòu)。首先研究了數(shù)字電容測試儀的基本原理，畫出整機(jī)框圖，接著提出系統(tǒng)的性能指標(biāo)，計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。仿真之后利用Protel99SE生成PCB板，進(jìn)而制成電路板，最后進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)已經(jīng)基本達(dá)到了提出的性能指標(biāo)。With the development of electronic industry, electronic components have increased rapidly, and the application of digital capacitance tester

3、is becoming wider and wider. In this paper, a simple digital display of the design idea and the hardware structure of the test instrument is introduced. Firstly studies the basic principle of digital measuring instrument for capacitance, draw the block diagram of the machine, and then put forward th

4、e performance index of the system, calculate and determine the form of a circuit and the parameters of the components, and verify the system feasibility.由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖寬度dc與電容C成正比，把電容C轉(zhuǎn)換成脈沖寬度為dc的 矩形脈沖，然后將其作為閘門信號控制計(jì)數(shù)器計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的個(gè)數(shù)，并送鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可測得電容的數(shù)值。時(shí)鐘脈沖可由555構(gòu)成的多諧振蕩器提供。如果時(shí)鐘脈沖的各參數(shù)合適，數(shù)碼顯示的數(shù)字N便是待測電容C的值。Becau

5、se of the single steady state trigger pulse width DC and a capacitor C is proportional to, the capacitor C is converted into a pulse width rectangular DC pulse, then the gate signal control counter to count the number of pulse frequency standard, and sent to latch, decoding display system can be mea

6、sured capacitance value. The clock pulse can be provided by a multi harmonic oscillator composed of 555. If the clock pulse is appropriate, the digital N is the value of the capacitance C.Key words: multi harmonic oscillator; single steady state oscillator; 555; counterI目錄前言11系統(tǒng)概述21.1總體方案的選擇及可行性分析21

7、.2方案論證31.2.1設(shè)計(jì)思路31.2.2設(shè)計(jì)的總體框圖32單元電路設(shè)計(jì)分析 42.1 555定時(shí)器42.2同步計(jì)數(shù)器52.3計(jì)數(shù)器反饋方式62.3.1反饋清零發(fā)62.3.2反饋置數(shù)法62.4 四位集成寄存器72.5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器83結(jié)束語103.1總結(jié)103.2收獲與體會10致謝11參考文獻(xiàn)12遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)前言目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電容的大小因此，設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷的電容測試儀具有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。電子制作中需要用到各種各樣的電容器，它們在電路中分別起著不同的作用。與電阻器相似，通常簡稱其為電容，

8、用字母C表示。顧名思義，電容器就是“儲存電荷的容器”。盡管電容器品種繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和原理是相同的。兩片相距很近的金屬中間被某物質(zhì)（固體、氣體或液體）所隔開，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬稱為的極板，中間的物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器也分為容量固定的與容量可變的。但常見的是固定容量的電容，最多見的是電解電容和瓷片電容。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進(jìn)行測量。由于測量電容方法多并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計(jì)是在參考555定時(shí)器基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計(jì)方案。是嘗試用555定時(shí)器1將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，通過定時(shí)并且計(jì)數(shù)可以計(jì)算出被測頻率再通過該頻率計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。1

9、系統(tǒng)概述1.1 總體方案的選擇及可行性分析數(shù)字式電容測量儀的作用是以十進(jìn)制數(shù)碼的方式來顯示被測電容的值，從而判斷電容器質(zhì)量的優(yōu)劣及電容參數(shù)。由給出的指標(biāo)設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可分為倆部分：一部分是LED顯示，另一部分就是要將C值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能滿足上述設(shè)計(jì)功能的方案很多，我們共總結(jié)出下面二種參考方案：方案一可由555集成定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓的脈寬為：DC=RC31.1RC。式中可以看出，當(dāng)R固定時(shí)，改變電容C則輸出脈寬dc跟著改變，由dc的寬度就可以求出電容的大小。把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電壓Vo取平均值，由于電容量的不同，dc的寬度也不同，則Vo的平均值也不同

10、，由Vo的平均值大小可以得到電容C的大小。如果把平均值送到AD轉(zhuǎn)換器，經(jīng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)就是電容的大小。方案二：先把電容C轉(zhuǎn)換成寬度為DC的矩形脈沖，然后將其作為閘門控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，技術(shù)后再運(yùn)算求出C的值，并送出顯示，轉(zhuǎn)換的原理是由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬dc與電容C成正比，可利用數(shù)字頻率計(jì)的知識，把此脈沖作閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖相“與”，得到計(jì)數(shù)脈沖，該計(jì)數(shù)脈沖送至計(jì)數(shù)鎖存譯碼顯示系統(tǒng)就可得到電容量的數(shù)據(jù)。其實(shí)，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，頻率f是數(shù)字電路很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于式儀表實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也避免了有指針讀數(shù)引起的誤差。因此本設(shè)計(jì)我們采用此方案。1.2

11、 方案論證1.2.1 設(shè)計(jì)思路 把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量。先把電容C轉(zhuǎn)換成寬 度為DC的矩形脈。1.2.2設(shè)計(jì)的總體框圖該方案的總體方框圖如圖1-1所示：圖1-1總體方框圖 Figure 1-1 overall block diagram2 單元電路設(shè)計(jì)分析2.1 555定時(shí)器555電路符號如圖2-1-1所示，如圖2-1-2為555等效功能框圖中包含兩個(gè)COMS電壓比較器C1和C2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)反相器，一個(gè)P溝道MOS場效應(yīng)構(gòu)成的放電開關(guān)SW，三個(gè)組織相等的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩沖級。圖2-1 555等效功能框圖Figure 2-1 555 equival

12、ent functional block diagram2.2 同步計(jì)數(shù)器同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160如圖2-2所示：74LS160ETEPCPD0D1D2D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CO 圖2-2 74LS160管腳圖74LS160 2-2 pin diagram74LS160是集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器具有同步預(yù)置、異步清零、計(jì)數(shù)和保持四種功能有進(jìn)位信號輸出端，可串接計(jì)數(shù)使用。表2-1 74LS160功能表Table 2-1 74LS160EPETCP功能0××××清零10××置數(shù)1111計(jì)數(shù)110××

13、保持11×0×保持2.3計(jì)數(shù)器反饋方式將74LS160構(gòu)成十進(jìn)制以下計(jì)數(shù)器可采用兩種反饋方式。一種是反饋清零法，另一種是反饋置數(shù)法。以下是兩種反饋方式的特點(diǎn)。2.3.1 反饋清零法反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個(gè)給計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號，使計(jì)數(shù)器各輸出端為零（清零）。反饋電路是組合邏輯電路，計(jì)數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計(jì)數(shù)器一定的輸出狀態(tài)下即時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號，使數(shù)電路同步或異步地復(fù)位。2.3.2 反饋置數(shù)法反饋置數(shù)法是將反饋邏輯電路產(chǎn)生的信號送到計(jì)數(shù)電路的置位端，在滿足條件時(shí)，計(jì)數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進(jìn)制碼。2.4 四位集成寄存器圖2-3所示是由D觸發(fā)器組成的4位集成寄存器

14、74LS175的邏輯電路圖。其中，Rd是異步清零控制端。D1D4是并行數(shù)據(jù)輸入端，CP為時(shí)鐘脈沖端，Q1Q4是并行數(shù)據(jù)輸出端。圖2-3 位集成寄存器74LS175Figure 2-3 4 bit integrated register 74LS175該電路的數(shù)碼接收過程為：將需要存儲的四位二進(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)據(jù)輸入端，D0D3，在CP端送一個(gè)時(shí)鐘脈沖，脈沖上升作用后，四位數(shù)碼并行的出現(xiàn)在四個(gè)觸發(fā)器端。表2-2 74LS175功能表Table 74LS175 2-22.5單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 圖2-5-1 74121的邏輯圖及管腳圖 Figure 2-5-1 74121 logic diagram and

15、pin diagram如圖2-5-1為TTL集成器件單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的邏輯圖及管腳圖。74121由觸發(fā)信號控制電路、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、輸出緩沖電路三部分組成。其電路工作原理與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本相同。電路只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)Q=0,Q=1。當(dāng)圖中a點(diǎn)有正脈沖觸發(fā)時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)Q=1,Q=0。Q為低電平后使觸發(fā)信號控制電路中RS觸發(fā)器的G2門輸出為低電平，將G4門封鎖，這樣即使有觸發(fā)信號輸入，在a點(diǎn)也不會產(chǎn)生微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號，只有等電路返回穩(wěn)態(tài)后，電路才會在輸入觸發(fā)信號作用下被再次觸發(fā)，根據(jù)上述分析，電路屬于不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。  .觸發(fā)方式。74121集成單

16、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有3個(gè)觸發(fā)輸入端，由觸發(fā)信號控制電路分析可知在下述情況下，電路可由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)暫穩(wěn)態(tài)。其功能表如下表所示。   表2-3 74121功能表Table 2-3 74121若B為高電平，A1、A2中的一個(gè)為高電平，輸入中有一個(gè)或兩個(gè)產(chǎn)生由1到0的跳變。若A1、A2輸入中有一個(gè)或兩個(gè)為低電平，B 發(fā)生由0到1的正跳變。  定時(shí)。單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)取決于定時(shí)電阻和定時(shí)電容的數(shù)值。74121的定時(shí)電容連接在芯片的10、11引腳之間。若輸出脈寬較寬，而采用電解電容時(shí)，電容C 的正極連接在Ct輸出端（10腳）。對于定時(shí)電阻，使用者可以有兩種選擇：  采用

17、內(nèi)部定時(shí)電阻（2 k），此時(shí)將9號引腳（R）接至電源VCC（14腳）。  采用外接定時(shí)電阻（阻值在1.440k之間），此時(shí)9腳應(yīng)懸空，電阻接在11、14腳之間。74121的輸出脈沖寬度t0.7RC。  通常R的數(shù)值取在230k之間，C 的數(shù)值取在10pF10F之間，得到的取值范圍可達(dá)到20ns200ms。  該式中的R可以是外接電阻R，也可以是芯片內(nèi)部電阻R(約2k)，如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。3 結(jié)束語3.1 總結(jié)本設(shè)計(jì)完成題目所給的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)了一臺數(shù)字顯示的電容測試儀，滿足題目的基本要求和一部分發(fā)揮要求。儀表

18、有性能可靠、精度高、電路簡單的特點(diǎn)。但是這種把較難測量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測量的物理量也有不足之處，主要是由于電路的影響，輸出的電容在某一個(gè)周期里誤差會很大。也可以通過加入延時(shí)清零電路，設(shè)置更多的檔位來減小誤差，使其精度更高?？傮w來說，本設(shè)計(jì)是成功的。3.2 收獲與體會回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我感慨頗多。的確，從查閱資料到電路設(shè)計(jì)，從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐總結(jié)，不僅鞏固學(xué)過的電子技術(shù)專業(yè)知識，而且學(xué)到了仿真軟件的基本操作。通過這次課程設(shè)計(jì)，我懂得了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要的，僅有理論的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)到的專業(yè)知識與實(shí)踐結(jié)合起來，從實(shí)踐中得出結(jié)論，才能真正的理解掌握理論知識，提高自己

19、的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考能力。在設(shè)計(jì)的過程中難免會遇到各種各樣的問題，但是我們迎難而上，通過查資料和請教老師努力研究、解決問題；同時(shí)在分析測容原理與設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，如對以前學(xué)過的專業(yè)知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，我們通過認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)知識可以更好的完成課程設(shè)計(jì)。對這次設(shè)計(jì)的電路，我最滿意的是量程控制所達(dá)到的高精度效果。為提高精度，本儀表只顯示1009999之間的數(shù)，當(dāng)然具體的電容值要看量程檔位。如果要更加完善設(shè)計(jì)，還是有很大的發(fā)展余地的，比如說可以加入延時(shí)清零電路，可以設(shè)置更多的檔位等等。致 謝在本論文完成之際，首先要向我的指導(dǎo)老師陳國明以誠摯的謝意。在論文的寫作過程中，陳