数字电容测量仪-课程设计

数字电子技术课程设计报告书 课题名称 数字电容测量仪的设计

姓 名 吴亚香 学 号 1212501-35 学

院

通信与电子工程学院 专 业 电子科学与技术

指导教师

张学军

2014年 6月 10 日

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2012级电子科学与技术专业 数字电子技术课程设计

数字电容测量仪的设计

1设计目的

（1）掌握multisim12仿真软件的应用技巧。

（2）掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。

（3）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。

2设计思路

本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。。

3设计过程

3.1设计框图

图1 数字电容测量仪原理图

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构成的多谐振荡器如果图2所示。

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R

1和R

2

对电容C充电，其电压U

C

由0按指数

规律上升。当U

C ≥2/3V

CC

时，电压比较器C

1

和C

2

的输出分别为U

C1

=0、U

C2

=1，基

本RS触发器被置0，Q=0、Q’=1,输出U

0跃到低点平U

oL

。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C

1和C

2

的输出为U

c1

=1、U

c2

=0，基本RS 触

发器被置1，Q=1，Q’=0，输出U

0由低点平U

oL

跃到高电平Uo

H

。同时，因Q’=0，

放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R

1和R

2

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，作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形如图3。

图2 555组成多谐振荡器

图3多谐振荡电路及输出波形

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下特点：

第一，它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态；

第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动回到稳态；

第三，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。

在图4所示的单稳态触发器，在电容测试中用作测量控制的，接通开关S2，单稳态电路产生一个控制脉冲，输出脉冲的宽度等于暂稳台的持续时间，即

Tw=1.1RCx（3－5），它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，使得显示的数字为被测电容容值大小的R倍。

图4 单稳态触发器电路原理图

3.4 计数电路的设计

74LS160D是集成同步十进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用。

图5 计数电路原理图

3.5 总体电路图

S2

R5

图6 总体电路图

4系统调试与仿真结果

4.1系统调试

1uF-100uF档位电路图调试：我们将开关S1打到R=1kΩ调试 1uF-100uF档位，显示的数字为被测电容容值大小的R倍，将一个位于1uF-100uF范围的标准电容接到测试端，我们以80uF为例，接通开关S2，使单稳态电路产生一个控制脉冲，其脉冲宽度为Tw=RCxln3= 1.1RCx，它控制与门脉冲使得时钟脉冲通过开始计时，如果现实的数字不是80，则说明时钟脉冲的频率不符合要求，我们可以调节R1的大小重复上述步骤，直到符合要求为止。经过调试我发现当R1=515Ω时最为合适。

0.01uF-1uF档位电路图调试:我们将开关打到R=100kΩ测试0.01uF-1uF档位，调试同上，以被测电容大小为0.56uF为例，如果现实的数字不是56，则说明时钟脉冲的频率不符合要求，我们可以调节R1的大小重复上述步骤，直到符

合要求为止。经过调试我发现当R1=515Ω时最为合适。

4.2仿真结果

当S1打到R=1kΩ，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，仿真结果如下图：

图7 被测电容为48uF的仿真结果

当S1打到R=100kΩ，即选择0.01uF-1uF档位时，当被测电容为0.24uF时，仿真结果如下图：

图8 被测电容为0.24uF的仿真结果

4.3 仿真结果分析

当S1打到R=1kΩ，即选择1uF-100uF档位时，当被测电容为48uF时，数码显示管显示的数字为48，不存在误差；当S1打到R=100kΩ，即选择0.01uF-1uF 档位时，当被测电容为0.24uF时，数码显示管显示的数字为25，存在4%的误差，但是是在误差的允许范围内。所以，设计的数字电容测量仪基本合格。

5主要器件和仪器设备

555定时器 2个

定值电阻 6个

74LS160D 3个

74S08D 1个

反相器 1个

6 设计体会

这次课程设计让我所学的知识得到了运用，让我的动手能力得到了提高。在做课程设计的过程中，我遇到了几个自己不能解决的问题，经过老师和同学的帮助，最终将问题解决。因此，我才知道自己的专业知识不够，而且我们所学的理论知识很重要，没有坚实的知识基础，是不能做好课程设计的。

我认为，课程设计对于我们电子科学与技术专业的学习非常重要。我们所学的知识最终应用于实践，理论来源于实践，实践是检验真理的唯一标准。因此，我们在学习理论知识的同时，一定要注重实践。

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础数字部分（第五版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.