应用电子技术简易数字电容表设计.doc

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1、目 录摘要10引言21 方案设计21.1 容抗法测量电容电路21.2 利用充放电法测量电容22 系统的具体设计与实现32.1 555定时器的电路结构及其逻辑功能32.1.1 555定时器的电路结构42.1.2 555定时器的逻辑功能42.2单元电路的设计52.2.1整流电路采用直流稳压电源设计思路52.2.2直流稳压电源设计62.2.3直流稳压电源特点72.3由555定时器搭建多谐振荡器72.3.1多谐振荡器的电路组成82.3.2多谐振荡器的工作原理82.4由555定时器组成单稳态触发器92.4.1单稳态触发器的电路组成102.4.2单稳态触发器的工作原理112.5计数加锁存电路112.5.1

2、 74290计数器122.5.2 74273锁存器133显示电路设计144 总体电路及其仿真164.1 总体电路图164.2 电路仿真175 设计结论186 心得体会187 参考文献19第 I 页摘要目前简易数字电容表越来越来受欢迎了，采用数字化测量及数字显示技术测量电容，显示直观读数准确,数字电容测量仪是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。现在常用的测量方法是电容表法和充放电法。本文设计一种测量电容范围为10pF99.9F的数字电容表,此设计是数字显示的高精度电容表的制作利用对被测电容进行冲放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路。其主要是用两

3、个555定时器，其中一个555定时器搭建为多谐振荡器，通过电容充放电产生固定周期的脉波，作为计数波；同时另一个555定时器搭建成单稳态触发器电路，多谐输出作为单稳输入，输出外加反相器作为控制脉波；在固定周期内采用74290对计数波计数，并使用74273锁存数据，将数据在LED上显示出来。关键词：数字电容计；74290；74273；5550引言当代大学生在即将步入社会时，在校的毕业设计可以说是综合性较强的设计制作项目，相当于一项小型科研，它综合了我们整个大学阶段所学的知识，也需要较为扎实的理论知识等，同时也使理论知识在实践中得到了应用和巩固。也得到了进一步的更新。电子技术的飞速发展，新型简易数字

4、电容表不断出现，使数字电容表有了日新月异的发展。近年来，数字电容表在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。1 方案设计根据设计任务的总体要求，设计中采用两个555定时器分别构建单稳态和多谐触发器用于产生计数脉波和控制计数脉波，其中待测电容在单稳态电路中，在单稳电路中用单刀双掷开关连接不同阻值电阻来达到更大范围的测量，当单稳态产生的波形为高电平时计多谐产生的脉波个数即为电容数值。计数部分74290构建的三个十进制计数器，采用7448驱动BS201半导体数码管显示，增加的单位显示部分是该方案更加完善。1.1 容抗法测量电容电路其设计思想是首先利用一定频率（例为400Hz）

5、的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C / VCA转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC / DC转换期取出平均值电压V0，送至31/2位或41/2位A/D转换器。由于平均值电压V0Cx，只要适当调节电路参数，即可直读电容量。优缺点：容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。但精度不高，分立元件太多。1.2 利用充放电法测量电容其设计思想是利用对被测电容进行冲放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路。其原理流程方框图1如下：由555构成一个多谐振荡器。在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。由55

6、5构成的单稳态触发器外加一反向器作为控制计数脉波，将所计下的数送给74290计数，然后通过74273锁存送给显示管显示。综上分析，利用充放电法测量电容的方案简单实惠，所以本课题采用了充放电法测量电容容量。2 系统的具体设计与实现根据电容充放电测量电容容量的原理，系统由待测电容充放电电路(构成多谐振荡器)、标准时基电路、计数器、显示译码等部分构成。如图1所示。计数器译码器数码管显示555构成单稳态控制门555构成多谐振荡器图 1 系统组成框图在设计中时基电路采用555电路构成，根据555组成的单稳态的脉宽是由RC决定的原理。在构成振荡电路时，将CX作为被测电容，那么脉宽将与被测电容呈现一定的关系

7、，通过标准时间内的计数数值就是电容的容量。2.1 555定时器的电路结构及其逻辑功能555定时器是一种使用方便灵活、应用十分广泛的多功能电路，利用它可方便地组成脉冲产生、整形、延时和定时电路。555定时器的电源电压范围宽，对于TTL 555定时器为516V，CMOS 555定时器为318V，可提供一定的输出功率。TTL单定时器型号的最后3位数为555，双定时器为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器为7556，他们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。2.1.1 555定时器的电路结构 如图2所示为CMOS集成定时器的逻辑功能图。它由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、MOS

8、开关管和输出缓冲级组成。电阻分压器由3个阻值相同的电阻R串联而成，为C1和C2两个电压比较器提供基准电压。C1的基准电压UR1=2/3VDD,C2的基准电压UR2=1/3VDD.CO为控制端，当CO端的电压为UCO时，可改变电压比较器的基准电压，这时UR1=UCO,UR2=1/2UCO.CO端不用时，通常对地接0.01uF的电容，以消除高频干扰。G1和G2组成基本触发器。为直接置0端。当=0时，G5输出1，基本RS触发器置0，Q=0，输出u0为低电平0，即u0=0，它与阀值输入端TH和触发器有无信号输入没有关系。正常工作时，端接高电平。G3和G4组成输出缓冲级，它有较强的电流驱动能力，同时，G

9、4还可以隔离外接负载对定时器工作的影响。三极管V是作为开关管来使用的，当Q为低电平0时，G3输出高电平1，V导通；当Q为高电平1时，G3输出低电平0，V截止。图2 CC7555定时器的逻辑功能示图2.1.2 555定时器的逻辑功能如上图电路分析CC7555定时器的逻辑功能。设电压比较器C1反相端输入电压为UR1，C2同相端输入电压为UR2 。555定时器的工作情况如下：当TH端电压大于UR1=2/3VDD，端电压大于UR2=1/3VDD时，电压比较器C1和C2分别输出R=1、S=0，基本RS触发器置0，Q=0、=1输出u0=0，这时MOS管V导通。当TH端电压小于UR1=2/3VDD，端电压小

10、于UR2=1/3VDD时，电压比较器C1和C2输出R=0、S=1，基本RS触发器置1，Q=1、=0输出u0=1，这时MOS管V截止。当TH端电压小于UR1=2/3VDD，端电压大于UR2=1/3VDD时，电压比较器C1和C2输出R=0、S=0，基本RS触发器保持原状态不。输出u0保持不变根据以上讨论可知，CC7555定时器的功能表1所示。表1 555定时器的功能如下表输入输出THOUT（u0）状态XX00导通2/3VDD1/3VDD10导通2/3VDD1/3VDD11截止1/3VDD1保持原状态保持原状态2.2单元电路的设计单元电路的设计主要是：直流稳压电源设计、直流稳压电源特点、整流电路采用

11、直流稳压电源设计思路、555定时器搭建多谐振荡器、555定时器搭建单稳态触发器，主要是从这五方面着手分析、介绍。2.2.1整流电路采用直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。（4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载。2.2.2直流稳压电源设计直流稳压电源的原理框图如图

12、3所示。220V变压电路整流电路接负载稳压电路滤波电路图3 直流稳压电源框图采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，变压器的变化由电单文式整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。2.2.3直

13、流稳压电源特点采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。从电路中我们可看出，此电路较第二种电路多加了一只三极管和几只电阻，R2与D组成BG2的基准电压，R3，Rp，R4组成了输出电压取样支路，T2b点的电位与T2e点的电位进行比较（由于DZ1的存在，所以T2e点的电位是恒定的），比较的结果有T2的集电极输出使T2c点电位产生变化从而控制T1的导通程度（此时的BG1在电路中起着一个可变电阻的作用），使输出电压稳定，Rp是一个可变阻器，调整它就可改变A点的电位（即改变取样值）由于T2e点的变化，T2c点电位也将变化，从而使输出电压也将发生变化。这

14、种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。图4 直流稳压电源电路图2.3由555定时器搭建多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，它不需要输入触发信号，接通电源后就可自动输出矩形脉冲，其振荡频率一般由RC定时电路决定2.3.1多谐振荡器的电路组成将555定时器的阀值输入端TH和触发输入端相连对地接电容C，对电源VDD接电阻R1和R2，放电端DIS和R1、R2相连，R2为放电回路中的电阻，这样便组成了多谐振荡器。R1、R2和C为定时元件，如图5所示。图5 多谐振荡器电路图和工作波形2.3.2多谐振荡器的工作原理如图5所示电压波形讨论多谐振荡器的工作原理。接通电源前，电容C上的电压uC=

15、0V。接通电源后，VDD经电阻R1和R2对电容C充电，uC随之上升。当uC2/3VDD时，比较器C1和C2输出R=1、S=0，触发器置0，输出u0跃到低电平UOL。与此同时，G3输出高电平使V导通，C经R2和V放电，uC随之减小。当uC2/3VDD时，比较器C1和C2输出R=1、S=0，触发器置0，输出u0跃到低电平UOL。与此同时，G3输出高电平使V导通，C经R2和V放电，uC随之减小。当u12/3VDD时，电路输出状态又发生变化。电容C如此周而复始的充电和放电便产生了振荡。由555定时器组成的单稳触发器，它既为下一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。单稳触发器占

16、空比为为了使计数器在单稳触发器高电平时开始计数，应在单稳波形后加一级反相器。由555组成的多谐振荡器的振荡周期为为了便于计算，式中取，则上式可化为。计数器在单稳触发器高电平时（经过反相器变换为低电平后）开始计多谐振荡器的周期数，满足下述关系式即若要显示器直接显示出的值，则应该满足，所以2.4由555定时器组成单稳态触发器单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。在外界触发脉冲作用下，它能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，在自动返回稳态；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。由于单稳态触发器具有这些特点，采用来产生具有固定宽度的脉冲信号。2.4.

17、1单稳态触发器的电路组成将555定时器的端作为触发信号u1的输入端，同时将放电端DIS和阀值输入端TH相连后和定时元件R、C相连，通过R接电源VDD，通过C接地，便组成了单稳态触发器，如图6所示。R和C为定时元件。图6 单稳态触发器电路图和工作波形2.4.2单稳态触发器的工作原理如图6所示，电压波形讨论单稳态触发器的工作原理。1、稳定状态没有输入负跃变的触发信号时，u1为高电平UIH，它大于1/3VDD。接通电源前电容C上的电压uC0V。接通电源VDD时，电路有一个进入稳定状态的过程。这时VDD经电阻R对电容C进行充电，其电压uC随之上升。当uC2/3VDD时，比较器C1输出R=1。由于u1=

18、UIH1/3VDD,比较器C2输出S=0，触发器置0，Q=0，C3输出高电平，V导通，电容C经V迅速放完电，uC0，这时输出u0为低电平UOL。由于uC=0，u1=UIH，因此，R=0、S=0，触发器保持0状态不变，电路处于稳定状态。2、触发器进入暂稳态当输入u1由高电平UIH负跃到小于1/3VDD时，比较器C2输出S=1，而这时R=0，触发器置1，Q=1，输出由低电平UOL正跃到高电平UOH，与此同时，V截止，电源VDD经电阻R对电容C进行充电，电路进入暂稳态。充电时间常数=RC。3、自动返回稳定状态随着C的充电，uC随之升高，在此期间，u1回到高电平UIH。当uC2/3VDD时，比较器C1

19、输出R=1，而这时S=0，触发器置0，Q=0，V导通，电容C经V迅速放完电，uC0，输出u0由高电平UOH跃到低电平UOL。电路返回到稳定状态。2.5计数加锁存电路本设计采用三片74290构成三个十进制计数器，在单稳态输出脉波的控制下计数来自多谐的脉波数，然后将数值送到74273进行锁存，如图7所示为数据计数和锁存部分的电路。由于电容很小时，充放电时间很短，而波形是不断产生的，计数器就会一直在零和最大值之间循环，读取数据时很不方便，因此就需要一个数据锁存器将电容的数值锁存。当单稳触发器第一个完整波形时间内计数完毕后，单稳恢复低电平，锁存器将显示的电容数值锁存起来，不会在单稳下一个高电平时继续循

20、环计数，以便于读取电容值。图7 计数器和锁存器2.5.1 74290计数器计数器是数字系统中常用的时序逻辑电路，它主要用于累计输入时钟脉冲的个数，还常用作分频电路和进行数字运算。图8 计数器如上图所示，R0和R9是异步置数，CKA和CKB是输入端，QAQD是输出端。其功能见表2所示。表2 74290功能表复位输入置位输入时钟输出R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)CKQAQBQCQD110XX000011X0X0000XX11X10010X0X计数0XX0计数X00X计数X0X0计数由上表可知：在计数或清零时，均要求R9(1)和R9(2)中至少一个必须为0，只有在R0(1)和R0(2)同时

21、为1时，才能清0。2.5.2 74273锁存器锁存器74LS273具有复位功能，上升沿触发的8位数据锁存器，是带清除端的八D触发器，只有清除端为高电平时才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，在上升沿锁存。74LS273的引脚功能如图9所示。图9 锁存器74273引脚功能其功能表见表3所示。由表3可知，当RD 0时，不论CP，D如何变化，触发器可实现异步清零，即触发器为“0”态。当RD1时，只有在CP脉冲上升 沿到来时，根据D端的取值决定触发器的状态，如无CP脉冲上升沿到来，无论有无输人数据信号，触发器保持原状态不变。表3 74LS273功能表输入输出CPDQn+10XX011110010X

22、Qn3显示电路设计采用7448驱动七段显示数码管LED进行显示，显示来自74273锁存的数值，如图10所示。图10 7448驱动数码管显示数值电路在方案中还增加了单位显示的设计，并且设计中用两个电阻来调节待测电容的范围，电路如图11所示。图11 显示单位电路如图11所示电路可区分两种单位显示，分别为nF和F。当单刀双掷开关所接电阻为k时，显示为U，表示单位为F ；当所接电阻为M时，显示为n，与F加以区分，表示单位为nF。4 总体电路及其仿真4.1 总体电路图图12总体电路图4.2 电路仿真图13仿真图5 设计结论综上所述，简易数字电容表的电子制作技术较为先进，为工厂提供了一种合理、低成本、高性

23、能的实现方案。数字电容表以其小巧、价格低廉、测量方便、精度高而越来越被人们所接受。本设计适合研发各种低成本电子系统，如可应用于工厂生产、人们的日常生活，此系统的应用不仅可以给人们的工作和生活带来很多的便利，同时具有较好的推广应用价值。6 心得体会此次毕业设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用protel 99仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极向老师请教，并且一遍又一遍的重复实践，直到我期望的结果实现。事实也证明我的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我带来了成功的喜悦！通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决

24、了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力！通过这次的电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解；能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。能对protel 99仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。在这过程中，我感受到了各位指导老师对学生的那种诲人不倦的精神，当我遇到些不能解决的问题时，朱永金老师和成有才老师都

25、给予我一些宝贵的建议，使我少走弯路，顺利完成设计任务，请允许我向你们致意崇高的敬意，感谢你们，老师！7 参考文献1 林涛.数字电子技术.北京：清华大学出版社,20062 赵文博.新型集成电路速查手册.北京：人民邮电出版社,20063 杨刚.电子系统设计与实践.北京：电子工业出版社,20044 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，20065 李哲英.电子技术及其应用基础.北京：高等院校出版社，20036 余孟尝.数字电子技术基础简明教程.北京:高等教育出版社，20067 童诗白.模拟电子技术基础（第四版）.高等院校出版社，20068 杨志忠.数字电子技术基础.高等院校出版社，2004第

26、 19 页 共 19 页四川职业技术学院毕业设计（论文）中期检查表系： 电子电气工程系 专业：应用电子技术 填表日期：2011年12月3日毕业设计（论文）题目：简易数字电容表 学生姓名罗春晓学号091012011019班级09电技1班导师姓名成友才教研室应用电子技术起止时间2011年 11 月 8 日至2012年 5月8 日地点校内校外文献、资料检索阅读：5篇；是否具备独立查阅文献资料的能力 。开题完成情况：好（）较好（）一般（） 差（）未完成（）学 习 态 度: 好（）较好（）一般（） 差（）出勤情况：出勤记载是否详实；请假次数：，缺席次数：。毕业设计（论文）的进度（与任务书进度相对照）：正

27、常（）过快（）偏慢（）中期检查综合评价：已完成部分文献资料的阅读，完成系统框架的设计，开始进行系统设计，初步撰写设计报告，基本符合开题报告和任务书给出的进度。存在问题和改进措施： 1、尽快完成硬件系统的设计； 2、完善系统软件设计；3、加快设计报告的撰写；4、规范设计报告格式。中期检查结论：好（）较好（）一般（）差（）注：1本表由教师填写，交系保存备查；2本表仅供参考，各系根据检查需要，可对检查内容进行必要的调整。教研室主任： 四川职业技术学院Sichuan Vocational and Technical College毕业设计（论文）鉴定表题 目简易数字电容表所属系部电子电气工程系所属专业

28、应用电子技术所属班级09电技1班学 号091012011019学生姓名罗春晓指导教师成友才起讫日期2011年11月8日-2012年5月8日四川职业技术学院教务处制四川职业技术学院毕业设计（论文）任务书题 目简易数字电容表所属系部电子电气工程系所属专业应用电子技术所属班级09电技1班指导教师成友才学生姓名罗春晓学 号091012011019一、毕业设计（论文）内容与要求设计一个简易数字电容表。技术参数要求：1、测量范围：10pF99.9F；2、测量误差：5.0%（以实验室标准电容或电容表为准）。 3、设置量程选择：0.01F、0.1F、1F、10F、100F。 4、显示器：十进制数字显示，对测量

29、量程分别用发光二极管指示。 论文要求：1、坚持理论联系实践，论述要符合学科理论，计算论证严密，分析富有逻辑性，要有创新性，思路有层次、有条理，切合专业学术发展动态；2、论文格式科学规范，语言表达准确清晰；3、由学生本人独立撰写完成，论文字数在30004000字左右。二、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）1、测量原理是利用振荡电路的输出周期与振荡电容成比例的关系可以计算出电容的容量。2、可以在图书馆查阅资料，网上收集资料，与同学合作来完成此次设计。三、主要参考文献1 林涛. 数字电子技术M.北京：清华大学出版社，20062 杨刚. 电子系统设计与实践M.北京：电

30、子工业出版社，20043 杨志忠. 数字电子技术基础M.高等院校出版社，20044 赵文博. 新型集成电路速查手册M.北京：人民邮电出版社，20065 余孟尝.数字电子技术基础简明教程M.北京:高等教育出版社，20066 童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.高等院校出版社，2006系部审核意见 签 名： 2011 年 11 月 12 日四川职业技术学院学生毕业设计（论文）答辩情况记载表题 目简易数字电容表所属系部电子电气工程系所属专业应用电子技术所属班级09电技1班指导教师成友才学生姓名罗春晓学 号091012011019答辩小组成员姓 名专业技术职务或职称所属单位或部门本人签字朱永金教授教

31、务处成友才副教授电子电气工程系答辩时间2012年 5 月 16 日记录人成友才答辩小组提出的主要问题及学生回答问题情况1、本次毕业设计中，你主要做了什么？查阅资料，了解简易数字电容表的结构、功能、发展趋势、使用及电路原理。根据原理的做出单元电路图、计算相关参数、仿真，写出完整的报告。2、 本次毕业设计的原理是什么？利用对被测电容进行冲放电，将脉波输入计数器通过计数，最后送出正确的显示信号给显示电路。其主要是由555构成一个多谐振荡器，在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。采用三片74290构成三个十进制计数器，在单稳态输出脉波的控制下计数来自多

32、谐的脉波数，然后将数值送到74273进行锁存，然后通过74273锁存送给显示管显示。3、 在本次毕业设计中，你最大的收获是什么？通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力！答辩小组组长签名：朱永金(至少三个问题) 2012 年 5 月 16 日四川职业技术学院毕业设计（论文）综合评定表题 目简易数字电容表所属班级09电技1班指导教师姓名成友才学生姓名罗春晓职称副教授学 号 091012011019部门电子电气工程系指导教师评语 指导教师：成友才 2012 年 5 月 8 日答辩小组评语总评成绩：答辩小组负责人：朱永金 2012年5 月18 日