说明书：三位数字电容表使用指南

课 程 设 计 任 务 书 课程设计题目 三位数电容表 功能 技术指标 设计一个电路简洁、精度高及测量范围宽的电容表，将待测电容的电容值显示到数码管，可显示 三位数字 工作量 适中 工作计划 3月8日 查资料，分析原理 3月9日 画原理图，列元器件表 3月11日 购买元器件 3月12日 安装电路 3月14日 电路调试 3月19日 结题验收 3月20日 撰写说明书 3月25日 交说明书并准备答辩 3月26日 答辩 指导教师评语 指导教师： 2010年3月 23日 目录 第1章 绪论 1 1.1设计要求 1 1.2 设计功能 1 第2章 电路的方框图 2 2.1 电路的方框图 2 第3章 单元电路设计和参数计算 3 3.1 单元电路设计 3 3.1.1 双时基电路 3 3.1.2 控制电路 5 3.1.3 计数电路 5 3.1.4 译码电路 7 3.1.5 显示电路 8 3.1.6 8550型号三极管 9 3.1.7 电容的作用 9 3.2 参数计算 11 第4章 整机电路的工作原理 13 4.1 三位数字电容表原理图 13 4.2 电路工作原理 13 第5章 电路的组装与调试 15 5.1合理布局 15 5.2调试 15 结论 16 收获与体会 17 致谢 18 参考文献 19 附录1 元器件清单 20 第1章 绪论 课程设计是运用自己所学的数字电子技术、模拟电子技术知识，根据老师所给课程设计题目，自行分组（每组3-4人）来设计、搭接、调试电路，使其实现所给题目要求的功能、量化指标等参数，三周内上交电路，老师通过对电路的完成情况、出勤情况、说明书制作情况以及课程设计答辩情况对每位同学进行评分。 1.1设计要求 1.被测电容范围：1PF-10000uF； 2.测试误差<10%； 3.电容值用三位数码管显示。 1.2 设计功能 设计一个电路简洁、精度高及测量范围宽的电容表，将待测电容的电容值显示到数码管可显示三位数。 实际上就是，待测电容容量时间转换器将待测电容的容量转换成与其成正比的单稳态时间。闸门控制器的开通时间及为单稳时间。当闸门控制器开通，由基准脉冲发生器产生的标准计数脉冲被输入到计数器计数，然后再通过译码器对其译码，使BCD码转换成十进制数字笔段码，最后在共阴极数码管上直接显示测量结果。 第2章 电路的方框图 2.1 电路的方框图 三位数字电容表是由基准脉冲发生器、待测电容容量时间转换器、闸门控制器、计数器、译码器及显示器等组成，其方框图如图2-1所示。 基准脉冲发生器是用来产生标准的计数脉冲。待测电容容量时间转换器是把待测电容的容量转换成与容量成正比的单稳态时间td。闸门控制器的开通时间就是单稳态时间td。在to时间内，计数脉冲通过闸门被送往计数器计数，计数的多少直接反映出被测电容的容量。 图2-1 三位数字电容表电路结构框图 第3章 单元电路设计和参数计算 3.1 单元电路设计 3.1.1 双时基电路 双时基电路主要由NE556组成，其芯片引脚与外围电路如图3-1所示。 图3-1 NE556芯片管脚图 由于NE556是两个NE555组成。故这里只简单介绍一下NE555，见图3-2所示。 图3-2 NE555内部结构图 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。 NE555具体如下的特点： 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 NE555内部功能框图如图3-3所示。其功能说明如下： 图3-3 NE555内部功能框图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5V—+16V。 3.1.2 控制电路 控制电路主要由CD4011实现，它是一个2输入四与非门，它与NE556组成待测电容容量时间转换电路，实际上就是一个单稳态电路。 图3-4 CD4011芯片管脚图 3.1.3 计数电路 计数电路主要由CD4553实现，其引脚图如图3-5所示，功能表如表3-1所示。具体功能如下： CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。 CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。 　　 MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。 LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。 DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。 DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。 7. Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。 CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如：当Q0～Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0～Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。 图3-5 CD4553芯片引脚图 表3-1 CD4553功能表 输入 输出 MR CLK DIS LE L ↑ L L L ↓ L L L X H X L H ↑ L L H ↓ L L L X X L X X ↑ L X X H H X X L 不变 超前 不变 超前 不变 不变 锁存 锁存 3.1.4 译码电路 译码电路主要由CD4543实现，其引脚图如图3-6所示，主要功能是把CD4553送来的BCD码译成十进制数字笔段码，译码功能表如表3-2所示。七段译码/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级，可方便地驱动LCD：1--LE，2--C，3--B，4—D，5--A，6--PH，7--BI，8--VSS，9—a，10—b，11—c，12—d，13—e，14—g，15—g，16—VDD。 图3-6 CD4543芯片引脚图 表3-2 CD4543真值表 输入 输出 LE BI Ph- + D C B A a b c d e f g 显示 X 1 X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 X 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 X 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 1 0 X 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 1 0 X 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 1 0 X 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 1 0 X 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 6 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 1 0 X 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 1 0 X 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 9 1 0 X 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 0 X 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 0 X X X X X 锁存 锁存* 3.1.5 显示电路 显示电路主要共阴LED显示。到公共极，先假设是共阴的，把公共极连直流电源的负极，然后把正极接某一管脚。如果亮，就证明是共阴的否则共阳。如果知道数码管的芯数，即每段是几个二极管组成就可以直接给数码管一定伏特的电压，很快就能测出来。本课程设计采用共阴极数码管。 图3-7 共阴极数码管引脚图 注意事项： 表面不要用手去触摸； 焊接温度：370度；焊接时间：5秒 3.1.6 8550型号三极管 8550是一种常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管，技术指标如下： 集电极-基极电压Vcbo：-40V ； 工作温度：-55℃ to +150℃； 和8050（NPN）相对的； 主要用途： 开关应用 ；射频放大 图3-8 三极管 3.1.7 电容的作用 本课题的电路原理图中应用了许多电容，因而在此介绍一下电容的一些作用。 1.应用于电源电路，实现滤波、旁路、去藕和储能方面电容的作用，下面分类详细述之： 1）滤波 滤波是电容的作用中很重要的一部分。几乎所有的电源电路中都会用到。从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频，小电容(20pF)滤高频。 2）旁路 旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放 电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大 电流毛刺时的电压降。 3）去藕 去藕，又称解藕。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上 升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对 于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防 途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10uF或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动 电流的变化大小来确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。 4）储能 储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000uF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的 B43504或B43505）是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式， 对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。 2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用： 1）耦合 举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。 2）振荡/同步 包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。 3）时间常数 这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式3-1描述： i = (V/R)e-(t/CR) （3-1） 3.2 参数计算 NE556为双时基电路，其中它的一部分与CD4011组成待测电容容量时间转换电路，实际上是一个单稳态电路，单稳时间td=1.1（ R3-R6）Cx。它的另一部分与R7- R9、C3等组成一个无稳态多谐振荡器，其输出的脉冲信号周期T与R7~ R9和C3有关，通过对R7~ R9的不同选择，我们可以得到周期为11us、1.1ms和11ms的三种基准脉冲信号。当计数值N知道后，N.T=td。由于td与被测电容Cx有关，相应的也就知道了被测电容的容量。 表3-3电容表格档量程 基准脉冲周期／s 定时电阻R／ 测量范围/F 倍率 11u 10M 10~999p ×1pF 11u 100k 1~9.99n ×0.1nF 11u 10k 10~999n ×1nF 1.1m 10k 1~99.9u ×0.1uF 11m 1k 100~9990u ×10uF 第4章 整机电路的工作原理 4.1 三位数字电容表原理图 本电路所用到的元器件：NE556 、CD4011、 CD4553、 CC4543、 数码管LG5011AH、8550 、电阻和电容。 图4-1 电路原理图 4.2 电路工作原理 三位数字电容表电路如上图所示。IC1为双时基电路556，其中的IC1A与IC2组成待测电容容量时间转换电路，实际上是一个单稳态电路，R3~ R6及待测电容Cx为单稳态时元件，单稳时间td=1.1（ R3~ R6）Cx。IC1B与R7~ R9、C3等组成一个无稳态多谐振荡器，其输出的脉冲信号周期T与R7~ R9和C3有关，通过对R7~ R9的不同选择，我们可以得到周期为11us、1.1ms和11ms的三种基准脉冲信号。当计数值N知道后，N.T=td。由于td与被测电容Cx有关，相应的也就知道了被测电容的容量。 IC4、与非门IC2C、C5、C6及R10构成了闸门控制器和计数器。IC4为三位数BCD计数器CD4553，其中12脚为计数脉冲输入端；10脚LE端为计数使能端，该端为低电平时，计数器计数；13脚MR端为复位清零端，脉冲上升沿有效。当按动一下开关SB，IC4的13脚便会得到一个上跳脉冲，使IC4清零，与此同时，与非门IC2B产生一个负向窄脉冲出发IC1A，使其5脚输出一单稳态高电平信号，该信号经过与非门IC2C成为低电平加到IC4的10脚，于是IC4对从其12脚输入的基准计数脉冲进行计数。当单稳态时间结束后，与非门IC2C输出高电平，IC4停止计数。最终IC4把计数结果从9、7、6、5脚循环送出对应个位、十位、百位的BCD码，并通过15、1、2脚输出扫描信号，控制VT1~ VT3轮流导通。 IC3组成译码驱动电路，它把IC4送来的BCD码译成十进制数字笔段码，经R11~ R17限流直接驱动共阴极数码管显示测量结果。 第5章 电路的组装与调试 5.1合理布局 电路在安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级级地布局，在此过程中我们本着以下原则： 1. 了解元件管脚功能。 2. 布线尽可能少，合理进行步线。 3. 电源线用红线，地线用黑线。 4. 布线规律有制,尽量减少交叉。 5．美观大方。 注意事项： 1． 面包板各个所用电源，接地都连起来。 2． 防止接线短路。 3． 元件注意不可接反。 5.2调试 进行错误的定位：整机电路是由单元电路组成的，出问题的只能是其中的一部分或几部分，根据错误的现象，通过观察，触摸及仪表测试，判断出问题所在的部分称之错误定位。有时可把整机各部分之间的信号连线断开，逐级进行查找，或者在安装时就先逐步检测各部分功能，确信正确后在进行相互连接。 具体错误的查找:在错误定位之后，已把问题缩小到一部分，然后可按下列次序检查。 1）原理图是否正确； 2）接线是否符合图纸要求，接线是否折断； 3）是否有短路现象； 4）是否有开路现象； 5）芯片及元件是否损坏，方向极性是否正确； 6）有否超出元件的负载能力； 7）问题是否来自干扰