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数字电容测量仪.rar

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    数字 电容 测量仪
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    科技学院 2011 届本科毕业论文数字电容测量仪学科专业: 电子信息工程 指导教师: 吴 莘 学生姓名: 陆朝轩 学生学号: 072004110518 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页目录摘要 ....................................................................IIIAbstract .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 数字电容测量仪概述 ................................................11.2 数字电容测量仪的研究意义 ..........................................11.3 国内外的未来发展趋势 ..............................................21.4 设计要求 ..........................................................21.5 设计思路 ..........................................................21.6 测量信号数字化系统方案选择 ........................................3第二章 各部分电路设计 ....................................................42.1 测量仪设计线路概述 ................................................42.2 测量仪总结构设计 ..................................................42.3 数字电容测量仪的主电路图 ..........................................4第三章 各部分电路工作原理 ................................................63.1 直流稳压电源设计 ..................................................63.1.1 整流电路采用直流稳压电源设计思路 ............................63.1.2 直流稳压电源的原理框图分析 ..................................63.1.3 直流稳压电源特点 ............................................73.2 多谐振荡器工作原理 ................................................73.2.1 555定时器 ...................................................83.3 单稳态触发器工作原理 .............................................103.4 计数器及锁存器电路 ...............................................113.4.1 计数器的特点和分类 .........................................123.5 显示部分设计方案 .................................................123.5.1 共阴极 LED数码管 ...........................................143.5.2 7段共阳极 LED数码管 ........................................15贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I页3.5.3 7段共阴极 LED数码管 ........................................15第四章 设计结论及心得体会 ...............................................174.1 设计结论 .........................................................174.2 设计心得体会 .....................................................17第五章 结束语 ...........................................................18致谢 .....................................................................20贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II页数字电容测量仪摘要本设计是基于 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。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点法。单稳态触发器中所涉及的电容,即是被测量的电容 Cx。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 Cx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%。然后在电路中加入一个由 LM741 以及一个电容和一个电阻构成的阻容平滑滤波器,将单稳态触发器输出的信号滤波,使最终输出电压 V0与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电压的数字化,将 V0输入到 7448译码器中翻译成 BCD 码,输入到 LED 数码管中显示出来。 关键词:555定时器;多谐振荡器;单稳态触发器;锁存器贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III页Digital Capacitance MeterAbstractIn this design,we use 555timer to consist resonancer and single steady trigger.Just use this system to measure the capacitance.Digital Capacitance Meter is the indispensable measuring instruments in computer,communication equipment,audio,video and other reaesrch and production areas.Measurement method is now commonly used capacitance method and the charge-discharge point of the table method.The capacitance in single steady trigger just the one we should measure.The pulse input signal is produced by consist resonancer,The frequency of that signal can be choosed with different resistance and different capacitance,so we can confirm the bound of the unbeknown capacitance.Because output width of pulse turn on with the unbeknown capacitance ,so the width of pulse is parallelism the size of unbeknow capacitor.Its precision can reache 0.1%.Then add a rejector which is constituted by LM741 and one resistance and one capacitor.The rejector can filtrate the output of the single steady trigger.The last output voltage V0 is linearity to the size of unbeknow capacitor.Input V0 to encoder 7448,then V0 will be translat into BCD code,which is input the number valve LED.From this the number could be displayed.Keywords:555 timer, multivibrator, monostable flip-flop, latch贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 0页第一章 绪论1.1 数字电容测量仪概述随着科技的不断发展,人类的不断进步,自爱电子技术领域的发展可谓突飞猛进,然而电容器在电子线路中得到广泛的应用,它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。因此,电容量的测量在日常使用中就不可避免。而目前电容量的测量仪器——电容测量仪的应用越来越广泛,电容测量仪在国内外的发展水平越来越高,而目前,电容测量仪的应用现状是:品种多样,技术含量高。我们不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性,而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点,以及机械或环境的限制条件。我们有理由相信,随着科技的不断发展,在电子技术领域里,电容量的测量仪器——电容测量仪将得到越来越广泛的应用;电容测量仪也将向着更合理,更科学,更适用的方向不断向前发展!在日常的电路工程或者是电路试验中,电容是一个最常见的元器件,实际应用中,对电容的电容值的准确度要求也是很高的。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。在实际操作中,对电容的测量存在许多麻烦,数值的表现也不够直观。电容测量技术是硬件设计和软件开发为一体的综合技术,既要完成对硬件电路设计,各种型号集成电路的选用和调试,又要对其进行算法程序的编写。前者要解决电路设计调试的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来电容测量技术也将在这两方面得到发展,表现为:电容测量仪器将朝着小型化、轻型化的方向发展。全面实现数字化和自动化,相关配套行业正朝着专业化、规模化发展。电容测量对于研究 RC 有源电路、开关电容电路和电容传感器的特性是非常重要的。目前在分离电容测量方面常采用四端双臂电桥线路,然而,这些线路不能实现对集成 MOS 电容的测量,因为它们不可能将寄生电容的影响分开。为了能精确地测量集成 MOS 电容,可以采用内部具有数字输出的测量系统,但该系统只能测量浮地电容,体积也大,不适宜小型自动化设备和智能仪器应用。为此,必须采用以开关电容为基础的新型电容测量仪。1.2 数字电容测量仪的研究意义目前电容的测量仅仅用电容表已经满足不了,而且不准确,且让在校大学生或者贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1页普通大众使用那种高精度测量仪器又很不实用。目前国内有用电桥法测量电容,准确度较高。常用的有通用电桥,西林电桥和感应耦合比例电桥。另外用 555 时基振荡器法,是把电容 C 通过 RC 充放电,使 555 时基定时器的输出电压发生翻转,利用对翻转时间的测量来计算电容值。国外有用 PIC16C622 制作的电容电感测试套件可以测量电感量和电容量以及用89C2051 制作的电容测量仪,电路复杂。本课题是基于电容的基本定义来测量的,要准确的多,无误差。1.3 国内外的未来发展趋势电容测量技术是硬件设计和软件开发为一体的综合技术,既要完成对硬件电路设计,各种型号集成电路的选用和调试,又要对其进行算法程序的编写。前者要解决电路设计调试的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来电容测量技术也将在这两方面得到发展,其主要表现为:1.电容测量仪器将朝着小型化、轻型化的方向发展。2.全面实现数字化和自动化:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术。3.相关配套行业正朝着专业化、规模化发展,社会分工将更加明显。 1.4 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100nF 至 100uF 范围内,并且至少设计两个以上的测量量程,用三位数码管显示,自由发挥部分为电容量在 10nF 至 1000μF 范围内,量程分为 5 档显示,还要求有单位显示,可以通过开关转换实现频率计的功能。1.5 设计思路题目要求设计一个数字电容测量仪。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。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2页1.6 测量信号数字化系统方案选择方案一 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 555 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。综上所述,选择第二种方案进行设计。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3页第二章 各部分电路设计2.1 测量仪设计线路概述由 555 定时器搭建多谐振荡器,其产生的波形一方面用于计数,另一方面作为单稳态电路的输入,振荡器输出便得到周期性的矩形脉冲。由 555 定时器搭建单稳态触发器所产生波形用于控制计数,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。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。计数器在单稳触发器高电平时开始计多谐振荡器的周期数,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,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环计数,以便于读取电容值。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,还增加了单位的设计,并且设计中用两个电阻来调节待测电容的范围。2.2 测量仪总结构设计测量仪总系统结构图见图 2.1:74290 构成的计数器多谐触发器电路 单稳态触发器电路7448 驱动显示单位7448 驱动显示数值图 2.1 测量仪的系统结构图2.3 数字电容测量仪的主电路图数字电容测量仪的主电路图如图 2.2 所示:贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4页图 2.2 测量电路总图
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