数字电容测量仪.doc
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数字电容测量仪 数字电容测量仪 一. 实验目的: 1:掌握译码显示的设计与应用 2:掌握数字电容测量仪的方法 3:学习自动量程的设计方法 4:学习使用555定时器及多谐振荡器 二:设计内容及要求: 1:被测电容范围为100pF到1uF 2:把电容量通过电路转换为电压量进行测量 3:设计石英晶体振荡器及分频系统 4:可控制的计数、锁存、译码、显示系统。 发挥部分举例: 1:测量电容范围为1uF到1000uF 2:石英晶体振荡器 3:)多谐振荡器 三:使用仪器及元器件: 74LS04(1片),74LS90(4片),NE555(2片),74LS00(2片),74LS373(2片),74LS47(3片),8段共阳数码管(3个),电平开关(1个),电阻若干,电容若干。 四:实验原理 1,总原理图: 本设计是基于555定时器,连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容,即是被测量的电容。其脉冲输入信号是555定时器构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻,电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容值的不同而不同的,所以脉宽即是对应的电容值,其精确度可以达到0.1%。最后是输出电压的数字化,将输入到47译码器中翻译成BCD码,输入到LED数码管中显示出来。 利用单稳态触发器或电容器充放电规律等,可以把被测电容的大小转换成脉冲的宽窄,即控制脉冲宽度 Tx严格 与 Cx成正比.只要把此脉冲与频率固定不变的方波即时钟脉冲相与,便可得到计数脉冲,把计数脉冲送给计数器计数,然后再送给显示器显示 .如果时钟脉冲的频率等参数合适,数字显示器显示的数字 N便是 Cx的大小。之所以选择该方案是考虑到这个方案不仅设计比较容易实现,而且必要时还可以扩展量程,更重要的是该方案设计出来的数字测试仪测量的结果比较精确。 2.单稳态控制电路 控制器的主要功能是根据被测电容 Cx的容量大小形成与其成正比的控制脉冲宽度 Tx.图2所示为单稳态控制电路的原理图.该电路的工作原理如下: 单稳态控制电路原理图 当被测电容 Cx接到电路中之后,只要按一下开关 S,电源电压Vcc 经微分电路、和反向器,送给 555定时器的低电平触发端2一个负脉冲信号使单稳态触发器由稳态变为暂稳态,其输出端3由低电平变为高电平.该高电平控制与门使时钟脉冲信号通过,送入计数器计数.暂稳态的脉冲宽度为Tx=1.1RCx.然后单稳态电路又回到稳态,其输出端3变为低电平,从而封锁与门,停止计数。可见,控制脉冲宽度 Tx与RCx成正比.如果R固定不变,则计数时钟脉冲的个数将与Cx的容量值成正比,可以达到测量电容的要求。 时钟脉冲发生器 这里选用由555定时器构成的多谐振荡器来实现时钟产生功能。电路原理图及其输出波形如图 3所示。 但、 其波形如图所示: 振荡波形的周期为: 其中 , 占空比为: 因为时钟周期 是在忽略了555定时器6脚的输入电流条件下得到的,而实际上 6脚有10的电流流入.因此,为了减小该电流的影响,应使流过的电流最小值大于10。又因为要求 Cx =999时,Tx=2s,所以需要时钟脉冲发生器在 2s内产生 999脉冲.即时钟脉冲周期应为T=2ms.即: 如果选择占空比q=0.6,即 q= =0.6 由此可求得: 取=0.1,则 : = 11.43K =-5.713K. 取标称值:=5.6K,=12K. 最后还要根据所选电阻、的阻值,校算流过、的最小电流是否大于 10uA .从图可以看出,当上电压达到时,流过、的电流最小,为: =95uA 振荡周期: 4. 计数和显示电路 由于计数器的计数范围为1—999,因此需要采用 3个二——十进制加法计数器.这里选用 3片74LS47级联起来构成所需的计数器.74LS47是BCD-7段数码管译码器驱动器,74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它来进行解码,可以直接把数字转换为数码管的数字,从而简化了程序,节约了单片机的IO开销。译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。常用的译码器电路有二进制译码器、二--十进制译码器和显示译码器。译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器,它在这里与数码管配合使用,表2.1列出了74LS47的真值表,表示出了它与数码管之间的关系。 5 地址锁存器芯片74LS373 74ls373是常用的地址锁存器芯片,它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器,在单片机系统中为了扩展外部存储器,通常需要一块74ls373芯片,锁存端LE 由高变低时,输出端8 位信息被锁存,直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时,三态门导通,允许Q0~Q7输出,OE为高电平时,输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时,应使OE为低电平,此时锁存使能端C为高电平时,输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同;当C发生负的跳变时,输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。 6 十进制计数器74LS90 电路是由4 个主从触发器和用作除2 计数器及计数周期长度为除5 的3 位2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9 输入。为了利用本计数器的最大计数长度(十进制),可将B 输入同QA 输出连接,输入计数脉冲可加到输入A 上,此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。LS90 可以获得对称的十分频计数,办法是将QD 输出接到A 输入端,并把输入计数脉冲加到B 输入端,在QA 输出端处产生对称的十分频方波。 五:仿真结果 30uF的电容: 100nF的电容: 六:protel-DXP 电路设计 一:电路原理图 二: 三: 四: 总结 18- 配套讲稿:
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