数字式电容量测试仪的设计与制作.docx
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数字式电容量测试仪的设计与制作
____工____学院__2009__级__电气工程及其自动化__专业姓名________学号___200918___________
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本科课程设计专用封面
设计题目：
数字式电容量测试仪的设计与制作
所修课程名称：
电子技术课程设计
修课程时间：
2010年12月12日至12月26日
完成设计日期：
2010年12月24日
评阅成绩：
评阅意见：
评阅教师签名：
年月日
摘要
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。
本设计使用一个555定时器，搭建成单稳态触发器电路，与100khz的晶振输出相与后作为控制脉波接入计数器；在固定周期内采用74hc192对计数波计数，并使用CD4511译码器，将数据在数码管上显示出来，采用直流稳压为系统提供+12V的电压。
设计中使用开关转换来达到三个大量程测量电容，能够测量1uF~999uF的电容值；并且系统具有单位显示功能，分别用三个颜色不同的LED表示。
关键词：
555定时器，晶振电路，单稳态触发器，计数器，译码器等。
目录
1、系统设计…………………………………………………………………………………1
1.1设计要求…………………………………………………………………………………1
1.2总体设计方案……………………………………………………………………………1
1.3总体框图…………………………………………………………………………………2
2、单元电路的设计……………………………………………………………………………2
2.1晶振电路的构成…………………………………………………………………………2
2.2由555定时器搭建单稳态触发器………………………………………………………3
2.3计数和显示电路………………………………………………………………………4
3、总体电路图…………………………………………………………………………………6
4、仿真结果……………………………………………………………………………………6
5、心得体会……………………………………………………………………………………6
附录Ⅰ、元件清单……………………………………………………………………………7
附录Ⅱ、参考文献…………………………………………………………………………7
1系统设计
1.1设计要求
本次设计任务基本要求设计制作一个数字电容测量仪，能够测试的电容量在1uF至999uF范围内，并且设计三个测量量程，用三位数码管显示，还要求有单位显示，可以通过开关转换实现频率计的功能。
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
题目要求设计一个数字电容量仪。
设计中采用一个555定时器构建单稳态电路，待测电容在单稳态电路中，用三个双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，计精振产生的脉波个数即为电容数值。
计数部分74192构建的三个十进制计数器，采用CD4511驱动数码管显示数字，增加的单位显示部分是该方案更加完善。
1.2.2系统方案论证与选择
方案一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）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V0∝Cx，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
方案二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构成的单稳态触发器作为控制计数脉波，将所计下的数送给74192计数，然后通过cd4511送给数码管显示。
综上所述，选择第二种方案进行设计
1.3总体框图
本设计的总体框图如图1所示：
图1总体框图
2单元电路的设计
2.1晶振电路的构成
其电路图如图2所示：
图2晶振电路
晶振电路输出的波形为10微妙的方波信号。
2.2由555定时器搭建单稳态触发器
所产生波形用于控制计数器。
其电路图如图3所示：
图3由555构成的单稳态电路
由555定时器组成的单稳触发器，和精振电路输出相与后计数器开始计数提供信号脉冲。
若要显示器直接显示出Cx的值，则应该满足Cx=N，设精振的输出为
=10um。
所以
1.1RCx=TN
若要测量pf级的电容，则有上式可知，应选用9M多欧姆的电阻，要测量nf级的电容，应选用9K多欧姆的电阻，要测量uf级的电容，则选用9点几欧姆的电阻。
2.3计数和显示电路
本设计采用三片74192构成三个十进制计数器（74HC192的引脚图如图4所示），在与门输出脉波的控制下计数来自精振的脉波数，然后将数值送到4511进行译码，经数码管显示结果。
如图5所示为数据计数和译码显示部分的电路。
图474HC192的引脚图
图5计数和显示电路
单位显示由三个发光二极管和三个双刀双掷开关共同控制，电路图如图6所示：
图6单位显示电路
图7仿真结果显示
3总体电路图
总体电路图见图8所示
图8总体电路图
4仿真结果
在仿真时选择NF档位来测量数值为100nf的电容，仿真结果如图7所示。
5心得体会
通过两周的课程设计，让我对数字电路知识有了进一步的了解，包括对一些元器件的功能和使用法有了进一步的认识，以前的学习主要在于原理方面，对器件单一的认知，缺少模块化的思想，而这次课程设计正好弥补了以前学习的不足，让我们更加注重于知识的运用，在实践中加深了对知识的理解。
在这次课程设计中，令我感触最深的就是几位同学团结合作，一起把所学的理论知识变为现实生活中的应用。
在实践中获取了不少知识，但更重要的时发现了自己在学习中思考不足动手不足的问题，在今后的学习中，我一定会针对这些问题改进学习方法，提高动手实践能力。
通过这次电子系统设计，我们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们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！
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，理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的更加深刻地理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：
能够充分利用图书馆和互联网去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。
能对EWB仿真软件进行操作，达到学以致用的目的。
对我来说，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。
在这次设计过程中，我感受到了老师对学生的那种诲人不倦的精神，当我们遇到那些不能自己解决的问题时，汤老师给予了我们具有建设性的建议，使我们少走了很多弯路。
能顺利地完成设计任务，是和老师的精心指导分不开的。
感谢汤老师以及宰老师的指导！
附录Ⅰ器件清单
555
1
8M电阻
1
七段式发光二极管
3
1M电阻
1
发光二极管
3
8.2K电阻
1
CC4511
3
500K电位器
1
CC40192
3
5.1K电位器
1
100KHz晶振
1
500电位器
1
双刀双掷开关
3
0.01uF电容
1
按钮开关
2
4.7uF电容
1
510电阻
5
200pF电容
1
300电阻
21
200nF电容
1
附录Ⅱ参考文献
[1]康华光.电子技术基础：
模拟部分.第5版.北京：
高等教育出版社，2000
[2]阎石.数字电子技术基础.第5版.北京：
高等教育出版社，2006
[3]谢嘉奎.电子线路：
线性部分.第4版.北京：
高等教育出版社，1999
[4]童诗白.模拟电子技术基础.第3版.北京：
高等教育出版社，2001
[5]李良荣.现代电子设计技术.北京：
机械工业出版社，2004
[6]郑家龙.集成电子技术基础教程.北京：
高等教育出版社，2002
[7]瞿安连.应用电子技术.北京：
科学出版社，2003
实物制作成绩（50分）
课程设计报告成绩（40分）
答辩成绩
（10分）
总成绩
备注
方案
实物制作
实物效果
方案论证
设计计算、绘图、元器件选型
报告
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