一、概述随着科学技术的不断发展,人类社会进入高科技时代,而以电子元件组成的 电器在生活中被运用的越来越广泛,大至航空航天技术,小到手机、电子手表等 等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中 的作用,因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少,测量电容的大小的 办法也越来越多,并且多样化、高科技化。当然,测量的结果应该保持较高的精 确度和稳定性,不仅如此,还应兼顾测量速度快等要求。 目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于 NE555 RC充放电原理等等,而此次课程设计采用的是基于NE555 的RC 冲放电原理。用片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器,将待测电容接入单稳态触 发器中,将电容的大小转换成一定的脉冲宽度,在这个脉冲宽度内的多谐振荡器 产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。因此可以直接计 算出待测电容的大小,并且达到精确度比较高(10%)、测量数值较为稳定,量 程可控制(0.2uF—20uF)的要求,而且所设计的电路比较简易,所用的都是一 些常用的元器件,电路连接简单不繁杂。 本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体 会及合理和建议等部分组成,另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。 二、方案论证 本设计方案采用的是基于NE555 的RC 充放电原理的脉冲宽度测量法,本设 计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。测量电路核心就是 片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成,计数电路由3 74LS160构成的计数器和2 片74LS273 构成的锁存器组成,显示电路由3 片内部 自带译码器的数码显示管(DCD_HEX)组成。 脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1 所示,利用单稳态触发器在待测电容 上的充放电的规律,将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度Tw,再将单稳 态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门,与门的输出信 号中脉冲宽度Tw 内的脉冲个数N 通过3 片十进制计数器计数后输入到2 片锁存 器,最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管,数码显示管所显示的数值就 是脉冲个数N 。由于初始相位不定和传输的时间差等原因,第一个显示的数字 并不是准确的脉冲个数N ,而准确的数值大小为显示稳定后的数值。 由于本方案大多采用的是数字元器件,因此对外界的干扰信号有着很强的抵 抗能力,而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件,只要外界存在有一定强度 的干扰信号,就会使测量结果发生较大的改变。不仅如此,外界的温度也会对模 拟元器件产生很大的影响,而在实际生活中的多外界环境不如在实验室环境。采 用本方案的设计电路则可以大大的减少上述条件对电路测量的影响,从而提高测量准确度,适用于大多数环境。 系统功能框图本设计由于是采用计数器直接计数,经锁存器锁存后输入数码管进行显示, 省去了信号直接的转换,使相对误差减小。 三、电路设计 电路设计包括了两大部分,总电路图见附录I。考虑到实际生活中的需要, 因此设计了能将日常生活用电转换成5V 的直流电,转换电路图如图2。 5V直流电流源 这个电路将日常生活所用的电经过变压、整流、稳压、滤波后,输出的电压 为稳定的5V 直流电,将此输出的电压为电路中所有元器件提供稳定的电流。 第二大部分又分为三个小部分,分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以 及显示电路部分。 首先是测量电路部分,电路图如图3 所示,此部分由2 片555 定时器连成的 单稳态触发器和多谐振荡器组,上面的555 定时器为单稳态触发器,下面的为多 谐振荡器。多谐振荡器3 端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2 端的输入信 号。图中 为待测电容,接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电,单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门 后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号和单稳态产生的脉 V1 220 Vpk 50 Hz C5100uF U13 LM7805KC LINE VREG COMMON VOLTAGE C6 100uF D5 1B4B42 T1NLT_PQ_4_10 4241 40 39 38 43 测量电路单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽Tw 计算公式如下: ln3Tw RC 越大,在Tw时间内通过与门的 脉冲数N 就越多,数码管所显示的数字就越大。 多谐振荡器的振荡周期T 的计算公式如下: 考虑到设计要求中量程为0.2uF—20uF,令lnn3 ln2/ln3 ,则数码管所显示的数值N 的大小了。例如,当R1 1.94kΩ C1 1uF C2 1uF R2 300 R330kΩ C3 10nF C4 0.2uF U2 LM555CN GND U1LM555CN GND VCC5V VCCU4 U3A74AS08N 连接锁存器的CLK端 连接计数器的CLK输入端 连接计数 器清零端 1uF时,多谐振荡器输出信号、单稳态触发器输出信号、非门输 出信号、与门输出信号如图4 所示。 待测电容为1uF时各输出信号波形 上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器 输出信号、与门输出信号。 其次是计数锁存电路部分,本部分电路图如图5 所示。 计数锁存电路U1 74LS160N U274LS160N U374LS273N U674LS160N U774LS273N 2422 21 20 19 30接电源 接非门 输出端 接与门 输出端 接单稳态 输出端 29 31 23 10 11 12 13 141516 1718 25262728 接数码管 接数码管 计数器74LS160N 是一个同步十进制加法计数器,上升沿有效。其管脚图如 74LS160N管脚图 其中A、B、C、D 端接地,QA—QD 为输出端连接锁存器的输入端,RCO 位输出端,ENP、ENT为计数控制端,LOAD 为同步并行置入端,CLR 为异步清零 端,CLK 为时钟信号输入端。其功能真值表如表1 所示,计数器的状态转换表如 74LS160功能真值表 CLK CLR LOAD ENP ENT 工作状态 74LS160状态转换表 计数顺序 进位输出QA QB QC QD 多谐振荡器和单稳态触发器产生的信号经过与门后,作为计数器的时钟信号,而单稳态触发器的输出信号作为计数器的清零信号。计数控制端都接高位, 可知单稳态触发器输出信号处于高电平,计数器开始计数。经过一个脉冲宽度后清零端输入为低电平,计数器清零。当单稳态触发器输出信号重新为高电 平时,计数器又从0 开始计数,以此一直循环。因此计数器输出的数值为一个固 本设计方案中,由于量程为0.2uF—20uF,因此要计数的数值将达上百,因片74LS160N连成计数可以从0 到999 的电路。将第一片的进位输出端连 接到第二片的计数控制端,而第二片的进位输出端连接到第三片的计数控制端以 达到设计要求。 74LS273是一个 位数据/地址锁存器,其是一种带清除功能的8D 触发器,管脚图如图7 所示。 74LS273N管脚图 功能表如表3 所示。 74LS237功能表 输出CLR CLK 保持前态其中 D1—D8 为输入端,连接计数器;Q1—Q8 为输出端,连接数码管;CLR 为主清除端,低电平触发,即当输入为低电平是,芯片被清除,输出全为0;CLK 为锁存控制端,上升沿触发,即当CLK 输入信号从低电平到高电平时,数据通过 芯片,当输入信号为低电平时,数据将被锁存,不论输入端D1—D8 数据如何改 变,输出端Q1—Q8 数据不变,从而达到锁存功能。因此CLR 接高电平,使锁存 器一直处于工作状态,单稳态触发器的输出信号通过非门后的输出信号作为锁存 器的锁存信号,其目的是在计数器在一个脉冲宽度时间内计数后,清零之前将数 据进行锁存,以此达到显示的数字呈稳定状态。 最后的显示电路由3片自带译码器的数码显示管组成,其管脚图如图8所示。 U1DCD_HEX 经过计数器的计数,锁存器锁存后的数值。由于单稳态触发器输出信号的脉冲宽度固定且多谐振荡器输出信号的频率不变,因锁存器锁存的数一直为固定值,固 数码显示管显示的数不变。 四、性能测试 首先是对 5V 电流源电路进行测试,测试电路如图 所示,仿真数据如图10 所示,其测试数据如表4 所示。 电源测试电路图10 5V 电压源输出波形图 V1 220 Vpk 50 Hz C2100uF U1 LM7805KC LINE VREG COMMON VOLTAGE C3 100uF D5 1B4B42 T1NLT_PQ_4_10 V(有效值):V(直流): I(有效值):I(直流): 频率: 5V电压源测试数据表 频率(HZ) 阻值(MΩ 电压(V)103 500.497 5.004 其次是对总电路分别用 2uF、4uF、6uF、8uF、10uF、12uF、14uF、16uF、 18uF 和20uF 电容作为待测电容进行测试,选其中3 个电容进行测试,结果如下, 相对误差的计算公式为:相对误差 测试值-真实值 |/真实值。 测试电容为2uF 时显示的数值如图11 所示,各输出波形如图12 所示。 图11 测试电容为2uF 时显示的数值 图12 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试结果为1.8uF,相对误差为10%,符合设计要求。 测试电容为8uF 时显示的数值如图13 所示,其个输出波形如图14 所示。 图13测试电容为8uF 时显示的数值 图14 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试结果为8.4uF,相对误差为5%,符合设计要求。 测试电容为20uF 时显示的数值如图15 所示,各输出波形如图16 所示。 图12 测试电容为20uF 时显示的数值 10 图16 单稳态输出、非门输出、多谐振荡器输出、与门输出 根据设计的原理,得出测试的结果为 20.2uF,相对误差为 1%,符合设计要 将上述3个测试结果和其它7 个数据记入下表: 所有测试数据待测电容(uF) 实际测量(uF) 相对误差 1.810% 3.85% 5.83.3% 8.45% 10 10.4 4% 12 12.4 3.3% 14 13.6 2.8%% 16 15.6 2.5% 18 17.6 2.2% 20 20.2 1% 五、结论 当待测电容接入电路后,在2 秒左右即可显示出数值。而且当电容取0.2uF 到20uF 时,数码管显示的数值应该是000 到100 中的一个值。相对误差是一直 存在的,避免不了,因为数据的传输以及器件的反应都需要消耗一定的时间。本11 方案所设计的电路不足之处就是测量的结果产生的相对误差虽然在设计要求范 围之内,但是相对误差的变化较大,一部分是器件本身和数据传输的原因,另一 部分应该是多谐振荡器与单稳态触发器没有选用一组合适的电阻值。 有时候待测电容为某个特定的值时,产生了比较大的误差,这个误差产生的 原因应该是元器件之间产生了某种影响。还有一个现象就是在单稳态触发器输出 的一个脉冲宽度内单位脉冲个数比数码管显示的个数多一,这个现象应该是由于 锁存时间过早造成的,理论上只要接入延时电路,而且这个延时的时间长度应该 控制在一个比较小的范围内,否则会造成更大的误差。不过总的来说已经达到了 设计要求。 六、性价比 本设计采用的555 定时器、74LS160、74LS273、与门、非门和数码显示管组 成,测量精度达到0.2uF,量程可以从0.2uF 到1999.8uF。测量的数值可以直接 用数码显示管显示出来,直观而且稳定电路基本上由数字元件组成,因此对于外 界环境存在的影响抵抗能力比较大,因此性能较用容抗测量法完善。 由于科技的发展,市场上各种中规模集成芯片售价也较为低廉,而且质量可 以得到保障。价格方面,目前市场上555 定时器芯片的售价大概是1.5—2 74LS160的售价大概是 元,74LS237的价格 1—1.5 元,数码管大概是 2—2.5 元,非门1 元,与门1 元,所以整个电路造价并不是很高,但性能却不低,而且 电路所占的空间很小,是性价比较高的一直设计。 七、课设体会及合理化建议 经过一个多星期的课设,掌握了很多课本以外的知识,也发现了很多不足之 处。如何将学到的知识运用到实际设计中是一个很重要的环节,电路设计过程中, 有时候为了达到某种效果,有许多不同的方法,但是各个方法又有许多不同之处, 因此还要考虑这个方法对整个电路会产生什么样的影响。还有就是元器件选择的 问题,例如555 定时器芯片就有4 种左右,每一种在主要的特征上都是相同的, 但是一些小细节上又有不同。在设计过程中通过需求去寻找相应的资料也是一个 很重要的环节,资料的寻找方法有很多,可以网上寻找,也可以去图书馆寻找相 关的资料,这就要求我们应具有很强的自学能力。其实关于设计课题的建议,个 人认为设计方向应该着重与实际生活中,使设计实际化、多方面化。 参考文献 阎石主编.数字电子技术基础. [M]北京:高等教育出版社,2006 模拟电子技术基础.[M]北京:高等教育出版社,2006 高吉祥编.电子技术基础实验与课程设计.[M]北京:电子工业出版社,2002 12 崔瑞雪编.电子技术动手实践.[M]北京:北京航空航天大学出版社,2007 周立清编.Multisim&Ulyiboard10原理图与PCB 设计.[M]北京:电子工业出 版社,2009 13 附录I 总电路图 QA14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 ENT10 ~LOAD QA14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 ENT10 ~LOAD 5D13 6D 14 7D 17 8D 18 ~CLR CLK11 1Q 5Q12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 QA14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 ENT10 ~LOAD 5D13 6D 14 7D 17 8D 18 ~CLR CLK11 1Q 5Q12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 14附录II 元器件清单 序号 编号 名称 型号 数量 R1电阻 1.94kΩ R2电阻 300Ω R3电阻 300kΩ C1电容 1uF C3电容 10nF C4电容 0.2uF C5,C6电容 100uF U8,U9,U12数码管 U4反相器 10U1,U2 555 定时器 11U5,U6,U10 计数器 74LS160N 12U7,U11 13U3 与门 74LS08N 14U13 稳压管 LM7805KC 15D5 桥式整流器 1B4B42 16T1 变压器 NLT_PQ_4_10