計量電子電路課程設(shè)計數(shù)字式電容測量儀

1、數(shù) 字 式電容測量儀學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器班級： 05級2班 姓名： 學(xué)號：指導(dǎo)老師： 時間： 2007年12月26日摘要：本設(shè)計是基于555定時器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測量的電容。其脈沖輸入信號是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號的頻率可以根據(jù)所選的電阻，電容的參數(shù)而調(diào)節(jié)。這樣便可以定量的確定被測電容的容值范圍。因為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容值的不同而不同的，所以脈寬即是對應(yīng)的電容值，其精確度可以達(dá)到0.1%。然后在電路中加入一個由LM741以及一個電容和一個電阻構(gòu)成的阻容平滑濾波器，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

2、器輸出的信號濾波，使最終輸出電壓與被測量的電容值呈線性關(guān)系。最后是輸出電壓的數(shù)字化，將輸入到7448譯碼器中翻譯成BCD碼，輸入到LED數(shù)碼管中顯示出來關(guān)鍵詞：電容，555定時器，濾波器，線性，譯碼器，LED數(shù)碼管Abstract：In this design,we use 555timer to consist resonancer and single steady trigger.Just use this system to measure the capacitance.The capacitance in single steady trigger just the one we

3、should measure.The pulse input signal is produced by consist resonancer,The frequency of that signal can be choosed with different resistance and different capacitance,so we can confirm the bound of the unbeknown capacitance.Because output width of pulse turn on with the unbeknown capacitance ,so th

4、e width of pulse is parallelism the size of unbeknow capacitor.Its precision can reache 1%.Then add a rejector which is constituted by LM741 and one resistance and one capacitor.The rejector can filtrate the output of the single steady trigger.The last output voltage is linearity to the size of unbe

5、know capacitor.Input to encoder 7448,then will be translat into BCD code,which is input the number valve LED.From this the number could be displayed.Key words: capacitance, 555mer, rejector ,linearity, encoder ,mber valve LED目錄一、測量系統(tǒng)的方案設(shè)計··········&#

6、183;···································41.1、測量部分的系統(tǒng)方案設(shè)計···········

7、3;·························4、恒亞充電法測量·······················&

8、#183;···························4、恒流充電法測量····················

9、3;······························41.1.3、脈沖計數(shù)法測量·················&#

10、183;·································41.2、測量信號數(shù)字化系統(tǒng)方案選擇·············&#

11、183;··················4、利用單片機(jī)進(jìn)行編程翻譯·····························&

12、#183;············4、利用譯碼器進(jìn)行翻譯···································&#

13、183;··········5二、單元電路的設(shè)計及原理·····································&

14、#183;·······52.1、 電容值測量電路及原理·······································5、多

15、諧振蕩器電路圖及工作原理·······································5、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理······&#

16、183;······························62.1.3、濾波器工作電路圖及原理················&#

17、183;·························82.2、模擬信號的處理以及數(shù)字化顯示·····················&

18、#183;·······9三、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定········································

19、3;·············12四、結(jié)論及心得體會···································

20、;·················134.1、結(jié)論·······························

21、83;·····························134.2、心得體會···················

22、;·····································13參考文獻(xiàn)············

23、;··················································

24、;····14附表：元器件明細(xì)表············································

25、··········14一 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 測量部分的系統(tǒng)方案設(shè)計1.1.1:恒壓充電法測量。用一個電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對電容進(jìn)行充電，然后根據(jù)電容充電的曲線超過某個固定電壓所需要的時間，利用曲線擬合的方法測量。測量所使用的原始公式是：。可見電容的值和電壓以及時間呈微分關(guān)系。用這種方法測量，時間和容值是非線性的。因此測量難度高，精度低，并且難以實現(xiàn)數(shù)字化。：恒流充電法測量。用恒流源對電容充電，此時電容的容量和充電時間是成正比的，所以可以利用AD或者比較功能同某個固定電壓比較，來實現(xiàn)電容測

26、量。測量所用的原始公式是： .所以。恒流源的電流大小是已知的，時間和電壓也可以測量出來。由上面的公式即可求得電容的大小。使用這種方法來測量，精度較上一種方法有所提高，且便于操作和實現(xiàn)。但要使用恒流源，恒流源的的設(shè)計要求很高，且達(dá)不到測量所需要的精度要求，因此這種方法也不適用。：用脈沖計數(shù)法測量電容。由555定時器兩個電阻以及一個電容，構(gòu)成的多諧振蕩電路，產(chǎn)生較為穩(wěn)定的振蕩頻率計算的公式為：，這個頻率可以自己選擇電阻和電容的值確定。再由一個555定時器和一個電阻以及一個電容構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,并將以上述多諧振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號。根據(jù)電容的大小來調(diào)節(jié)占空比。LM741與兩

27、個電容以及一個電阻構(gòu)成阻容有源濾波器。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器所產(chǎn)生的輸出信號濾波成為穩(wěn)定的輸出電壓。此方法測量比較精確，并且容易調(diào)節(jié)所測量電容值的范圍（只需調(diào)節(jié)構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電阻的大小即可）。綜合上述的三種方法，我所選擇的是第三種方法1.2 測量信號數(shù)字化系統(tǒng)方案選擇：利用單片機(jī)進(jìn)行編程翻譯。將測量得出的電壓信號值，輸入事先編好程序的單片機(jī)當(dāng)中，應(yīng)用單片機(jī)將電壓信號翻譯出來送入LED數(shù)碼顯示管中，顯示出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。選用的單片機(jī)可以為凌陽單片機(jī)。該方法顯示出的數(shù)據(jù)精確。而且設(shè)計，操作都很簡單且功能易于擴(kuò)展，但要用到單片機(jī)，因此設(shè)計成本將大大提高很不經(jīng)濟(jì)，且測量環(huán)境要求較高。：利用譯碼器進(jìn)行翻譯。將測

28、量出的結(jié)果輸入譯碼器當(dāng)中，利用譯碼器將電信號翻譯，然后輸入到LED數(shù)碼顯示管中，最后顯示出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。選擇的譯碼器可以為7448譯碼器。該方法所用到的器材較為便宜，且做成的成品便攜。但顯示不是非常精確，并且功能會很單一。這里測量精確要求不是很高，故選擇第二種方案。二 單元電路的設(shè)計及原理此方案主要分為兩個方面：1.電容量的測量，最后得出來的結(jié)果是最后輸出電壓信號。2.將輸出來的電壓信號經(jīng)翻譯成為數(shù)字信號，由數(shù)碼管顯示出來。2.1 電容值測量電路及原理 多諧振蕩器電路圖及工作原理555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，其電路圖如圖2-1-1所示：圖2-1-1 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器其電路工作原理是：

29、接通電源后，電容C被充電，當(dāng)上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器充放電所需時間為:當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，將通過、向電容器C充電，由上升到所需的時間為：當(dāng)上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為：2.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖及工作原理555定時器構(gòu)成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路圖如圖2-1-2（a）所示。其簡化電路如圖2-1-2（b）所示： 圖2-1-2（a）555定時器構(gòu)成第三穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖2-1-2（b）555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的簡化電路 其工作原理是：沒有

30、觸發(fā)信號時處于高電平（），如果接通電源后Q=0=0，T導(dǎo)通，電容通過放電三極管放電，使=0，保持低電平不變。如果電源接通后Q=1，放電三極管T就會截止，電源通過電阻R向電容充電，當(dāng)上升到時，由于R=0,S=1鎖存器置0，為低電平。此時放電三極管T導(dǎo)通，電容放電，保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發(fā)信號時，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)=0。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（），電路的輸出狀態(tài)由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管T截止。此后電容充電，當(dāng)充電至=時，電路的輸出端電壓由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，同時T導(dǎo)通，于是電容放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降，則從零電平上升到的時間，即為

31、輸出電壓的脈寬 通常R的取值在幾百歐到幾兆歐之間，電容的取值為幾百皮法到幾百微法。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可以從幾個微秒到幾分鐘，精度可以達(dá)到0.1%。這樣就可以保證測量時的精度。也可以保證測量的范圍能夠達(dá)到100pF100uF。2.1.3 率波器工作電路圖及原理利用LM741與電容，電阻組成阻容有源濾波器。其電路結(jié)構(gòu)如圖2-1-3所示。圖2-1-3 LM741組成的阻容濾波器 其工作原理是LM741可以對占空比為的信號進(jìn)行平滑濾波，使最后產(chǎn)生出來的信號（即是圖2-1-3中的 ）與被測量的呈線性關(guān)系。2.1.4 濾波器工作電路圖及原理 測試部分所用的總的電路圖如圖2-1-4所示。圖中的即是被測量

32、的電容。圖中的電源是測量電路使用的電源，其值為1518伏特之間。圖2-1-4 測量電路總圖2.2 模擬信號的處理以及數(shù)字化顯示在這個環(huán)節(jié)中，直接采用將信號送入7448譯碼器中進(jìn)行翻譯，并將翻譯成的BCD碼送入LED數(shù)碼管中，顯示出來。其電路結(jié)構(gòu)如圖2-2-1圖2.2給出BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖。如果不考慮邏輯圖中由G1G4組成的附加控制電路的影響（即G3和G4的輸出為高電平），則YaYg與A3、A2、A1、A0之間的邏輯關(guān)系為： Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G3 A0 G9 A1 G10 A2 G11 A3 G1

33、2 G4 G5 G6 G7 G8 G1 G2 A0 A1 A2 A3圖2-2-1 BCD七段顯示譯碼器7448的邏輯圖&&&&&&&&1111&1&1&1&1&1&1&&根據(jù)BCD七段顯示譯碼器的邏輯關(guān)系式和邏輯圖可列出真值表如表22LED數(shù)碼管的構(gòu)造和顯示原理： LED數(shù)碼管分為共陽極與共陰極兩種，如圖222（a）所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖222（b）（c）所示。ag代表7個筆段的驅(qū)動端，亦稱筆段電極。DP是小數(shù)點。第3腳與第8腳內(nèi)部連通，+代表公共陽極，-表示公共陰極。對

34、于共陽極LED數(shù)碼管（如圖222（a）,（b）所示），將8只發(fā)光二極管的陽極短接后作為公共陽極。其工作特點是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接供電平時可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動信號為高電平，-端接低電平時才能發(fā)光。 LED數(shù)碼管的特點：1. 能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。2. 發(fā)光相應(yīng)時間極短（0.1us），高頻特性好，單色性好，亮度高。3. 體積小，重量輕，抗沖擊性好。4. 壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可以達(dá)到100萬小時。5. 成本低。表22 BCD七段顯示譯碼器的真值表數(shù)字輸 入輸 出

35、A3 A2 A1 A0Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg字形01234567890 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 11011121314151 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0

36、 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0三 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定 系統(tǒng)的參數(shù)決定了系統(tǒng)測量的范圍在觸發(fā)器中，本設(shè)計在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的電阻值取為47K, 由公式： 計算可得。被測電阻在100pF100uF內(nèi)產(chǎn)生的脈寬為0.000047s0.47s。所以多諧振蕩器產(chǎn)生的信號振蕩頻率應(yīng)該小于2Hz。即2Hz取多諧振蕩器中的電阻值=150K。再由公式： 計算可得多諧振蕩器中電容可以取為1.5uF。 在數(shù)字顯示電路中，因為是使用了7448譯碼器譯碼，則相應(yīng)的LED數(shù)碼管選為共陰極數(shù)碼管。其他元器件的取值以及相應(yīng)的規(guī)格詳見附錄四 設(shè)計結(jié)論以及心得體會4.1 設(shè)計結(jié)論本設(shè)計主要應(yīng)用于100pF100uF電容器的測量。設(shè)計中應(yīng)用了單穩(wěn)