1、 数字式电容测量仪 的设计 第 1 页 共 17 页 目 录 1 实习目的、内容和要求 . .1 2 设计原理及 软件简介 3 2.1 设计原理 .3 2.2 Multisim 软件简介 .3 3 设计步骤和过程 4 3.1 多谐振荡器电路 . . . 4 3.2 单稳态触发器电路 . .5 3.3计数和显示电路 . .7 3.4 总电路原理图 . . . . . . . . . . 8 4 设计的仿真和运行结果 9 4.1 电路的调试 . .9 4.2 结果及分析 . .10 5 结论 .11 5.1实习过程中遇到的困难及解决办法 . 11 5.2 结论 .11 参考文献 . 12 附录 .
2、 13 附录 A 数字式电容测量仪电路图 . . .13 附录 B 数字式电容测量仪元器件清单 . . . 14 数字式电容测量仪 的设计 第 2 页 共 17 页 1 实习目的、内容和要求 1.1 实习目的 本次实习 的目的在于掌握数字电容测试仪的设计、组装与调试方法。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。但是由于电容自身特性决定了电容和电阻的测量是不一样的，电容的测量相对于电阻测量复杂，精确度不高。因此我们旨在设计一种可以测量电容大小的电路，并且采用七段数码管直接在屏幕上显示电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。
3、 1.2 实习内容 1.2.1 设计说明 ： 框图中的外接电容是定时电路中的一部分。当外接电容的容量不同时，与定时电路所对应的时间也有 所不同，即 C=f(t)，而时间与脉冲数目成正比，脉冲数目可以通过计数译码获得。 1.2.2 设计要求： 1.2.2.1 基本部分 (1) 被测电容的容量在 0.01 F至 100 F 范围内 (2) 设计两个的测量量程 (3) 用 3为数码管显示测量结果，测量误差小于 20% 1.2.2.2 发挥部分 (1) 至少设计两个以上的测量量程，使被测电容的容量扩大到 100PF定时电路 多谐振荡器 计数器 译码器 数码显示器 微分电路 自动调零 外接电容 图 1
4、电容测量仪原理框图 数字式电容测量仪 的设计 第 3 页 共 17 页 至 100 F范围内。 (2) 测量误差小于 10%。 1.3 实习要求 （ 1） 画出总体设计框图，以说明数字式电容测量仪由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。 （ 2） 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。 （ 3） 选择合适的元器件，在仿真软件上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。 （ 4） 在验证各个功能模块基
5、础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。 （ 5） 自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。 数字式电容测量仪 的设计 第 4 页 共 17 页 2 设计原理及软件简介 2.1 设计原理 多谐振荡器产生矩形脉冲波与定时电报和微分电路产生的信号相与后送入计数器 ， 然后通过译码器连接数码显示器 ， 对电容大小进行显示 。 2.2 Multisim 软件简介 Multisim 是美国国家仪器（ NI）有限公司推出的以 Windows 为基础
6、的仿真工具，适用于板级的模拟 /数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 Multisim 和 虚拟仪器技术 ， PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到 原型设计 和测试这样一个完整的综合设计流程。 定时电路 多谐振荡器 计数器 译码器 数码显示器 微分电路
7、自动调零 外接电容 图 2 电容 测量 仪原理 图图 框图 数字式电容测量仪 的设计 第 5 页 共 17 页 3 设计步骤和过程 3.1 多谐振荡器电路 由 555 定时器构成的多谐振荡器来产生标准脉冲，电路和输出脉冲如图 图 3 多谐振荡器电路图 图 4 输出信号波形 在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。此电路数字式电容测量仪 的设计 第 6 页 共 17 页 中用来产生时钟脉冲信号（如图所示）。周而复始，形成振荡。其振荡周期与电容充放电时间有关，充电时间为： T1=（ R4+R5） Cln2,，放电时间为 T2=R5Cln2,则时钟信号一个周期为 T=T1+T2=(
8、R4+2R5)Cln2。 通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出 u=1 电容放电时， u=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输 入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。 3.2 单稳态触发器电 路 由 555 定时器构成的单稳态触发器。 2 端作为触发信号的输入端，由 U1 产生的时钟脉冲信号来提供 。 图 5 单稳态触发器电路图 数字式电容测量仪 的设计 第 7 页 共 17 页 图 6 输出信号波形 单稳态触发器 有稳态和暂稳态两个不同的工作状态。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
9、 C1、 R1 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。输出脉冲的宽度 tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻 R和电容 C的大小。即： tw=R2*C2*Ln2=1.1R2*C2。 数字式电容测量仪 的设计 第 8 页 共 17 页 3.3 计数和显示电路 图 7 计数和显示模块电路 计数电路采用 74LS160 作为计数器。 74LS160 是集成同步十进制计数器，该计数器
10、具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能有进位信号输出端，可串接计数使用 。 三位的显示控制模块 由 三个芯片级联构成。显示部分电路中显示器用的是DCD-HEX-BLUE 显示器 。 数字式电容测量仪 的设计 第 9 页 共 17 页 3.4 总电路 图 图 8 总电路 图 总电路图包含多谐振荡器 ，单稳态触发器，计数器，译码器等模块，能够成功仿真电容测量仪的功能。 数字式电容测量仪 的设计 第 10 页 共 17 页 4 仿真和运行结果 4.1 电路的调试 电路连接完成后打开仿真开关 ，首先 观察显示模块是否能够显示数值 ，若没有示数显示，则使用 Multisim 13.0 中的示波器逐个检查各个模块的信号输出波形 ，找出出现问题的模块根据设计原理判断是连接故障还是原理故障，并加以排除。 图 9 示波器检测输出 波形 若显示器上显示数值 ， 观察是否符合设计要求 ， 若不符合设计要求 ，观察是否是电容测量量程选择出现错误 ， 改变电容测量量程选择开关重新进行仿真 ， 观察结果 。 若量程开关选择正确 ， 则可适当改变电路中原件的参数值 ， 进行不断的调试 ， 直到达到预期的设计目标要求 。 图 10 量程选择开关
