数字式电容测试仪..

1课程设计说明书课程设计名称：电路课程设计课程设计题目：数字式电容测试仪学院名称：信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：学号：姓名：评分：教师：2014年10月12日2数字电路课程设计任务书2014－2015学年第1学期第1周－4周注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目数字式电容测试仪内容及要求设计制作一电容式测试仪【基本要求】①设计一个能测量电容容量在100pF-100uF之间的测试仪②用3位数码管显示③多测量量程【提高要求】①超量程判断及显示②击穿电容测试保护进度安排2014.9.1-2014.9.7：布置课题，查阅资料，方案分析并进行电路仿真；2014.9.8-2014.9.23：完成系统的制作、焊接、调试；2014.9.24-2014.9.28：设计结果检查，完成设计报告。学生姓名：指导时间：2014.9.1-2014.9.28指导地点：综合楼中506任务下达2014年9月1日任务完成2014年9月28日考核方式1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√4.其它□指导教师系（部）主任3摘要电容具有隔直流同交流的能力，在电子电路中是十分重要的元件，电容的容值在电路设计中是一重要因素。由于在使用一段时间后，电容容值与出厂是所标注的值有所偏差，这就需要设计仪器去测量电容容值。传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观。本课题主要介绍了数字电容测量仪的原理和设计思想。它由测试电路和显示电路两部分组成。在测试电路中555定时器做多谐振荡器，它通过电容配合电阻充放电产生一系列的方波脉冲，通过计数器记数算出电容的值，最后通过数码管显示被测电容的容值。该电容测量仪相对比较直观，且误差较小，将在电容测量方面显示出它读数方便，精确的优越性。关键词：测脉法，脉冲，数显，电容4目录一、绪论...........................................................................................51.1.课程设计的背景................................................................................51.2.课程设计的内容................................................................................51.3.课程设计的目的................................................................................51.4.课程设计指标与要求........................................................................5二、总体设计方案...........................................................................62.1.设计原理框图....................................................................................62.2.方案设计............................................................................................62.3.各模板功能简介...............................................................................6三、课程设计的步骤......................................................................73.1.555集成定时器功能表....................................................................73.2.多谐振荡器电路的设计...................................................................73.3.单稳态触发器电路的设计...............................................................83.4.数字显示电路的设计.......................................................................93.5.总电路图的设计.............................................................................10四、电路的调试............................................................................12五、结论........................................................................................14六、参考文献..................................................................................15七、附录........................................................................................16附录一数电元器件清单.......................................................................16附录二实物图.......................................................................................17附录三原理图、仿真图及PCB版图...................................................295一、绪论1.1.课程设计的背景很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源的退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。固定电容的容量可直接从标称容量上读出，而可调电容的容量则不确定。传统的测量方法都采用交流电桥法和谐振法，通常采用刻度读数，此方法不够直观，因此，设计一个简易电容测试仪作为测量工具是有必要的。1.2.课程设计的内容本次课程设计的内容是独立完成一个数字电容测试仪的设计，采用EWB电路仿真设计软件完成数字电容测试仪电路的设计及仿真调试，在微机上仿真实现数字电容测试仪的设计。课程设计具体内容：框图中的外接电容是定时电路中的一部分。当外接电容的容量不同时，与定时电路所对应的时间也有所不同，即C=f(t)，而时间与脉冲数目成正比，脉冲数目可以通过计数译码获得。1.3.课程设计的目的掌握multisim在电子设计中的仿真，分析，调试等应用。掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理1.4.课程设计指标与要求：指标：(1)被测电容的容量在0.01μF至100μF范围内。(2)设计测量量程。(3)用3位数码管显示测量结果，测量误差小于20%。课题任务要求：1、画出总体设计框图，以说明数字电容测试仪由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。2、设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。3、选择合适的元器件，在EWB上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。4、在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。5、自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。6二、总体设计方案2.1.设计原理框图图1、电容测量仪原理框图2.2.方案设计利用单稳态触发器充放电规律等，可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽度，即控制脉冲的宽度Tx严格与Cx成正比。只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟方波相与，就可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，在显示器中显示计数脉冲的个数。如果计数脉冲的频率等参数合适，数字显示的数字N便与Cx的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现，而且必要时还可以扩展量程，更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。2.3.各模块功能简介控制电路的功能是经单稳态触发器将被测电容转化成宽度与之成正比的单个脉冲。多谐振荡器提供标准的时钟脉冲，以便将单稳态产生的脉冲宽度用标准时钟脉冲个数来表示。计数显示电路显示单稳态触发器脉冲宽度对应的标准时钟脉冲的个数。7三、课程设计的步骤3.1.555集成定时器功能表我们给出555集成定时器功能表，如表1：输入输出阈值输入端6触发输入端2复位端4输出端3放电管T端7××00导通2/3Vcc1/3Vcc11截止2/3Vcc1/3Vcc10导通2/3Vcc1/3Vcc1不变不变表1555集成定时器功能表3.2多谐振荡器电路的设计振荡器是数字电容测量仪的核心，振荡器的稳定度以及其所产生的基准频率的稳定度决定了数字电容测量仪的准确度，通常选用石英晶振构成振荡电路。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器。555组成多谐振荡器的工作原理如下：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压UC由0按指数规律上升。当UC≥2/3VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U0跃到低点平UoL。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C放电，Uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1、Uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U0由低点平UoL跃到高电平UoH。同时，因Q’=0，放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回前一个暂稳态。因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。图2多谐振荡器波形图多谐震荡周T为：T=T1+T2。t1为电容C上的电压由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为R2C。T1可用下式估算T1=（R1+R2）Cln2≈（R1+R2）Cln2T2为电容C上的电压由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。T2可用下式估算T2=R2Cln2≈R2Cln28所以，多谐振荡器的振荡频率周期T为T=T1+T2≈（R1+2R2）Cln2振荡频率为f=1/T=1/（（R1+2R2）Cln2）555构成的多谐振荡器电路如图3：所设计的多谐振荡器电路仿真波形图如图4：图4多谐振荡器电路仿真波形图3.3单稳态触发器电路的设计单稳态触发器所产生波形用于控制计数，由555定时器组成的单稳触发器，它既为下级的多谐触发器提供输入脉冲，又为后面计数器开始计数提供信号脉冲。单稳态触发器的工作特特性具有如