數(shù)電課程設計---簡易數(shù)顯式電容計的設計

1、<p><b>　　××大學</b></p><p><b>　　××學院</b></p><p>　　數(shù)字電子技術課程設計</p><p>　　名稱：簡易數(shù)顯式電容計的設計</p><p><b>　　專業(yè)：電氣信息類</b>

2、</p><p><b>　　班級：××班</b></p><p><b>　　姓名：××× </b></p><p>　　學號：××××××××</p><p><

3、;b>　　××年×月×日</b></p><p>　　(一)設計任務和要求</p><p>　　測量范圍1-999nF。</p><p>　　2，用三位LED數(shù)碼管顯示測量結果。</p><p>　　3，具有超量程指示。</p><p>　　4，能自動的進行連續(xù)

4、測量。測量周期為4秒，測量結果保持2秒左右。</p><p>　　5，提供的主要器材：</p><p>　　(1)MC14553（三位BCD計數(shù)器）、NE555定時器、CD4511（BCD七段顯示譯碼器）、CD4001（四輸入或非門）各一塊。</p><p>　　(2)共陰結構LED數(shù)碼管、三極管、二極管、阻容元件等。</p><p>　　(

5、3)面包板、導線。</p><p>　　(4)數(shù)電實驗箱（提供直流穩(wěn)壓電源）</p><p>　　(5)調(diào)試用標準電容。</p><p>　　(二) 簡易數(shù)顯式電容計的組成和工作原理</p><p>　　圖3-1 簡易數(shù)顯式電容計的組成框圖</p><p>　　數(shù)顯示電容計具有測量速度快、讀數(shù)方便等優(yōu)點，正在逐步取代傳

6、統(tǒng)的電容測試方法。簡易數(shù)顯式電容計的框圖如圖3-1所示，它由C-T轉換電路、振蕩器、控制電路、譯碼顯示電路和超量程指示電路等六部分組成。</p><p>　　1．C-T轉換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉換成脈沖信號，使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)此功能。</p><p>　　2．振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖，讓計數(shù)器在C-T轉換期間計數(shù)。如果Cx大，則Tx大，那么在Tx期間計

7、數(shù)器的脈沖數(shù)就多，代表Cx就大。只要調(diào)整好振蕩頻率，就可以使計到的脈沖數(shù)（用十進制表示）就是被電容的nF數(shù)。</p><p>　　3．計數(shù)器是三位十進制的計數(shù)器。</p><p>　　4．顯示譯碼電路是把計數(shù)器計到的脈沖數(shù)用十進制數(shù)字顯示出來。</p><p>　　5．超量程指示電路的作用是當計數(shù)器計到的脈沖超過999時，產(chǎn)生一個指示信號，即代表被測電容的電容量超過

8、了999nF，此時顯示器的讀數(shù)已不是Cx的值。</p><p>　　6．控制電路的作用是控制各部分電路正常工作的時序信號。如果用下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，用上升沿使計數(shù)清零和超量程指示電路復位，測量過程的時序如圖3-2所示：</p><p>　　7．設計時采用CMOS電路，電源電壓+5V</p><p>　　圖3-2 數(shù)字式電容計測量過程時序圖</p>&

9、lt;p><b>　　單元電路的設計</b></p><p>　　1．C-T轉換電路的設計</p><p>　　在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，定時器與電容成正比，例如，在用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，有</p><p><b>　　Tw=1.1RC</b></p><p>　　式中R和C為定時電阻、

10、電容。</p><p>　　因此，在這里C-T轉換電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖3-3、波形如圖3-4所示。圖中Tx=1.1RC。</p><p>　　圖3-3 C-T轉換電路</p><p>　　圖3-4 C-T轉換波形圖</p><p>　　在電路中加入了由Cr和Rr組成的微分電路，這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入Vii

11、的下降沿觸發(fā)。定時時間V11de 低電平寬度無關。</p><p>　　考慮到定時精度和測量速度，設定測量范圍Tx,的時間為0.1ms-0.1s, 即取R=91k.</p><p>　　2.多諧震蕩器的設計</p><p>　　多諧震蕩器也用555定時器構成，電路如圖3-5。</p><p>　　圖3-5 多諧振蕩器</p>

12、<p>　　多諧震蕩器的振蕩周期為：T=0.7(R1+2R2)。</p><p>　　在Tx內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖數(shù) N=Tx/Ts </p><p>　　即有：N=1.1RCVx/T</p><p>　　根據(jù)設計要求，N就是被測電容Cx的nF數(shù)，則有</p><p>　　T=1.1*91*10e310e-9≈10e-

13、4s</p><p>　　也就是說振蕩器振蕩頻率約為10kHz。</p><p>　　根據(jù)振蕩器周期的計算公式，先取C=0.01uF。那么R1+2R2=14.3KΩ，取R1=6.8 KΩ，則R2應為3.75 KΩ?？梢杂?.7 KΩ的電位器作為R2來調(diào)整電容的測量精度。</p><p><b>　　3．計數(shù)電路的設計</b></p>

14、<p>　?。?）計數(shù)電路的選用</p><p>　　計數(shù)器采用MC14553，MC14553是三位BCD加法計數(shù)器，集成電路的引腳排列圖和功能表如圖3-6和表3-1所示。</p><p>　　圖3-6 MC14533引腳圖</p><p>　　表3-1 MC14533功能表</p><p>　?。?）計數(shù)器電路的連接</

15、p><p>　　根據(jù)C-T轉換電路在在轉換期間的輸出是高電平，以及要用來控制計數(shù)器計數(shù)。將C-T轉換電路的輸出加到CL段，計數(shù)脈沖從 IND端引入</p><p>　　4.顯示譯碼電路的設計</p><p>　?。?）顯示譯碼器的使用</p><p>　　顯示譯碼器選用CD4511,CD4511是BCD七段鎖存/譯碼/驅(qū)動器，其引腳排列圖和功能表

16、如圖3-7和表3-2所示</p><p>　　圖3-7 CD4511引腳圖</p><p>　　*鎖存是顯示的字取決與在LE端由0到1是輸入端BCD碼的狀態(tài)</p><p>　　表3-2CD4511功能表</p><p>　　CD4511具有內(nèi)部抑制非BCD碼輸入的電路，當輸入為非BCD碼時，譯碼器的七端輸出全為‘0’電平，顯示器暗。<

17、/p><p>　　在MC14511的輸入端有四位鎖存器，LE為選通端，當LE為‘0’電平時允許BCD碼輸入；當LE為‘1’電平鎖存。</p><p>　　MC14511每段的輸出驅(qū)動電流可達25mA，因此在驅(qū)動LED數(shù)碼管要加限流電阻。</p><p><b>　　(2)顯示譯碼電路</b></p><p>　　計數(shù)和譯碼顯

18、示電路如圖3-8所示，其中顯示譯碼電路為掃描顯示電路（也成為動態(tài)顯示電路）。掃描顯示的基本原理是利用人眼的視覺惰性和發(fā)光二極管的余輝效應。圖3-8中，在MC14533輸出個位BCD碼時，DS1=0，個位的數(shù)碼管在V1的驅(qū)動下，顯示個位的數(shù)字。在這期間DS2與DS3均為1，V2、V3截至，十位和百位的數(shù)碼管沒有顯示。接著，輸出十位的BCD時，DS2=0，只顯示十位的數(shù)字。然后，當DS3=0時，顯示百位的數(shù)字，接著，再顯示個位數(shù)字……，就這

19、樣有周期性的掃描。當掃描頻率較高時，我們看到的是三位穩(wěn)定的顯示數(shù)字。注意：在該電路中，由C1決定掃描頻率，故C1不能取得太大，不然數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍。</p><p>　　圖3-8 計數(shù)和顯示譯碼器電路</p><p>　　(3)限流電阻的選取</p><p>　　顯示譯碼電路中的限流電阻，三極管的基極電阻和三極管的計算與選擇可按下圖的方法進行。設圖中的三極管工

20、作在放大區(qū)，Vce=2V，則</p><p>　　R=（6-2-2）/10=200Ω</p><p>　　Rb=（2-0.7）/0.5=2.6KΩ</p><p>　　三極管的β=10/0.5=20。</p><p>　　圖3-9 譯碼電路元器件參數(shù)計算示意圖</p><p>　　實際的顯示譯碼電路中，一個三極管要驅(qū)動

21、一只數(shù)碼管，即要驅(qū)動七只發(fā)光二極管，而且在掃描顯示中，數(shù)碼管的每段電流要大一些。設每段電流為15mA，基極電流由MC14553的輸出驅(qū)動電流限制，設為1.3mA。這樣，可算得R=133Ω，取133Ω，Rb為1KΩ，β=15*7/1.3~=80，在這里，選用的三極管的β值要大于80，Icm要大于105mA。</p><p>　　5.超量程指示電路的設計</p><p>　　超量程指示電路如圖

22、3-10所示。圖中由或非門構成的是一個基本RS觸發(fā)器。當MC14553在計數(shù)到1000個脈沖時，“OF”端會輸出一個正脈沖，RS觸發(fā)器Q置1，LED亮，表示被測電容已超過999nF，這時的顯示器讀書已不在是被測電容的容量。在復位信號的作用下，Q端置0，等待下一次測量。</p><p>　　圖3-10 超量程指示電路</p><p><b>　　6.控制電路的設計</b>

23、;</p><p>　　根據(jù)數(shù)字式電容的工作原理，控制電路實際上是一低頻信號發(fā)生器，振蕩周期為4秒，他的精度和穩(wěn)定要求不高。因此，可用圖3-11所示電路來構成。</p><p>　　圖3-11 控制電路</p><p>　　振蕩電路中在Rs=R的條件下，振蕩周期的估算式為</p><p><b>　　T≈1.8RC</b>

24、;</p><p><b>　　即有</b></p><p><b>　　1.8RC=4s</b></p><p>　　取C=0.1Uf，則R取22MΩ。</p><p>　　由于MC14553，在高電平清零時，位選擇輸出端DS1~DS3都為1，將使顯示器消隱，如果清零信號的高電平持續(xù)時間較長，會看

25、到消隱現(xiàn)象，控制電路正通過Cr和Rr組成的微分電路把清零信號加到計數(shù)器清零端。這樣，計數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零，即使清零的高電平持續(xù)很短，靠人眼的視覺惰性，就不會覺察到消隱現(xiàn)象。</p><p><b>　　安裝與調(diào)試</b></p><p>　　1.按照設計好的電路圖，在面包板上連接好電路。</p><p>　　2.在調(diào)試時，可以借助超

26、量程指示電路，對各部分電路進行檢查。</p><p>　　3.在Cx處接入nF級校準電容，調(diào)節(jié)R2，使數(shù)碼管顯示的讀數(shù)與校準電容的讀數(shù)一致。</p><p>　　4.接上若干稱值在量程范圍內(nèi)的大電容和小電容，注意觀察電容的工作情況。</p><p>　　附圖：簡易數(shù)顯式電容計電路圖</p><p><b>　?。ㄎ澹嶒炐牡?lt;

27、/b></p><p>　　通過對課程設計的學習，對簡易數(shù)顯式電容計的組成有了一定的了解，在理解掌握各個基本組成單元的功能后，開始設計其基本原理圖。</p><p>　　在聯(lián)接電路的時候，要非常注意各個元器件在面包板的位置，盡量避免出現(xiàn)飛線。由于管腳多，尤其要注意各管腳是如何聯(lián)接的。調(diào)試時，首先對各基本組成單元進行調(diào)試，然后在整體調(diào)試，當顯示數(shù)字為470左右時，調(diào)試完畢。</p

28、><p>　　總結此次設計的全部過程，認識到要做好課程設計最重要的還是首先搞清楚原理機制，才能思路清晰地一步步往下做，切忌一開始就胡亂地接電路或是拷貝他人的。但總的來說，多動手才能更好地培養(yǎng)這方面能力，從中也能學到書本上學不到的知識技能。</p><p><b>　　思考題</b></p><p>　　傳統(tǒng)電容計的工作原理是什么？</p>

29、;<p>　　答：根據(jù)電容的充電公式，可以計算出電容在充電到1/nVcc（其中n<1，Vcc為充電電源電壓）電壓時，充電時間跟電容的容量和電阻成正比，跟充電電源電壓無關。</p><p>　　數(shù)字萬用表中測量電容的工作原理是什么？</p><p><b>　　答：</b></p><p>　　顯示一碼，為什么要用PNP管作為

30、位選擇開關？</p><p>　　為什么動態(tài)顯示電路中七段顯示譯碼器每段的電流要大些？</p><p>　　MC14553的3腳和4腳間接的電容Cr取大了會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？</p><p>　　在超量程指示電路中，為什么要用或非門？</p><p>　　在超量程指示電路中，若用PNP管，則電路如何聯(lián)接？</p><p>