数字电容测试仪

数字电容测试仪

数字电路技术课程设计

学院：机械与电子工程学院

专业：自动化

班级：090431

姓名：罗兵

学号：09043112

数字电容测试仪

数字电容测试仪课程设计

一、课程设计目的

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。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。为此，我们查阅资料，根据所学的知识，设计了一个数字电容测试仪，只要接入被测电容，打开开关以后，就能直接在屏幕上显示出电容的大小，方便在以后的实验中对电容的使用。

二、课程设计指标

(1) 被测电容的容量在0.01 F至100 F范围内。

(2) 设计测量量程。

(3) 用2位数码管显示测量结果，测量误差小于20%。

(4) 相应时间不超过2s。

三、总体思路

方案（一）：设法将电容的大小转换成对应的电压量，在把电压量通过模数转换器转换成数字量来进行测量，此方法要用到数模转换器，而由于我们上课对此了解不深，并且没有使用过数模转换器，因此此处不使用此思路

方案（二）：设法将电容的大小转换成与之相应的脉冲数，测量脉冲数目并进行译码，用数码管显示结果。利用单稳态触发器可以把被测电容的大小转换成输出脉冲的宽度，即控制脉冲宽度Tx与Cx成正比。只要将此脉冲作为计数器的控制信号，即可得到计数脉冲，把计数脉冲送给计数器计数，然后再经过译码器送至数码管显示。时钟脉冲可由555构成的多谐振荡提供。如果时钟脉冲的频率等参数合适，数码管显示的数字便是Cx的大小。此次课程设计按此思路设计。

数字电容测试仪

四、课程设计原理

4.1 设计原理框图

4.2 方案设计

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。

3.3 模块介绍

实验各模块电路具体原理图设计：

（1） 脉冲形成电路：此电路由555时基电路芯片与分立元件构成。

此模块要求将被测电容Cx的大小转换成脉冲信号。

具体电路如下：

数字电容测试仪

被测电容Cx的充放电时间分别为：

T1=（R1+R2+RP）CxLn2

T2=R2CxLn2

可以通过调节电位器来调节输出脉冲的低电平时间，而高电平持续时间则是由被测电容决定。通过此方法就把被测电容转换成了脉冲信号。

（2） 时基电路与控制电路产生10Hz的脉冲计数信号。

先由555时基电路产生1KHz的脉冲信号，再由74LS90芯片对其进行100分频（100分频可由两片74LS90组合而成），则可得到10Hz的计数信号。

具体电路如下：

（3）计数器模块

先将电容转换成的脉冲信号送至74LS123芯片通过其12端口输出的脉冲信号去控制计数器的清零。并将其13端口的脉冲信号送至译码器模块作为译码器的时钟信号。

再把前面产生的10Hz计数信号与电容转换成的脉冲信号通过与非门后送计数器作为计数信号。

在计数器的清零端口可以接一个开关电路，来控制计数器的清零与计数。

（4）通过计数器将计数信号送至74LS273寄存器然后送至数码管进行显示输出。 实验总原理图如下：

数字电容测试仪

按总电路图分模块连接好实验电路

五、故障分析与调试

数字电容测试仪

在按照实验原理图连接好电路后，发现并不能得到实验结果。

进行电路部分测试发现主要故障有以下几点：

1、在单独连接各个模块电路时，所有模块功能都基本能够正常工作，而电路整体组合后，在芯片74LS123的12号端口测试时却发现没有测试到任何信号，没有出现需要的脉冲电平。

（分析与调试：在测试此芯片其它各个管脚都正常后，怀疑芯片可能有问题，故换了另一块芯片，测试还是没有信号，暂时排除芯片损坏的可能。猜测可能是受后面电路的影响，吧它与后续电路断开连接，测试还是没有信号，而在最开始连接此电路时有正常信号！因此分析猜测可能是电路受到自身干扰信号的影响，因此在芯片的电源管脚增加了一个0.01微安的电容接地，以此来减少干扰信号的影响。经测试发现所有管脚能够正常工作并得到所需要的脉冲信号。）

2、从时基电路经过控制电路按照原理该输出的10Hz脉冲连接到发光二极管测试，发现发光二极管闪烁过快，其频率远大于10Hz。

（分析与调试：由于时基电路输出的1KHz频率过大，用发光二极管不能测试出，所以首先怀疑其可能没有正常工作。检查555芯片线路连接没有错误，并测试各管脚正常后，暂时排除其未正常工作。再测试控制电路，从第一块74LS90的14端口输入一个低频率的连续脉冲，发现第二块74LS90芯片的11端口连接到发光二极管上能够正常闪烁，则排除控制电路有问题，那只可能是555时基电路部分的原因。前面已经测试555电路没有问题，而发现在连接电路时并没有连接原理图上的电位器，则猜测可能是由于这里的参数问题。再把2.2K的电阻改成5.6K后 ，再测试输出脉冲，发现已经基本达到10Hz的要求。）

3、数码管未能正常显示数字，显示的不是0-9中的任何数字，特别是ab两笔总是同时发光。

（分析与调试：首先再次测试数码管的好坏，断开数码管与前面电路的连接，测试发现有几笔不能正常发光，而数码管又是新的，则怀疑可能是面包板里面的铜片没有连接上，用力把面包板压平，把后面的铜片压进去后测试发现都能正常发光了。再重新连好电路，发现其它都正常，而ab两笔还是同时发光，测试输入，发现无论从其中一片74LS47的12或十三端口测试，ab都会发光，初步断定问题出在这里，怀疑面包板此两处可能短路了，在把芯片拔出后测试，结果一样，确定面包板短路。因此，把次芯片换地方，放到另一面包板上，连接好线路，发现数码管能够正常显示数字了。）

4、在解决并调试好以上故障后，测试的本是10微安的电容，结果显示出23微安。 （分析与调试：电路已经能够正常工作，那应该是电路参数的设置问题，可能是前面的10Hz不够准确，再改变555时基电路4与7端口的电阻值，发现对显示大小有影响，确定问题所在，经多次改变电阻，最终调节出正确的显示结果。）

在解决以上所有故障并调试好电路后，整体电路已经能够正常工作，可以测量电容大小。

六、实验数据与误差分析

实验分组测量数据如下：

数字电容测试仪

实验误差分析：

1.在被测电容为1-10微安时，由于电容过小，而测量电路不能显示小数位，故测的的第一个数据4.7微安为5微安，为正常误差范围。

2.在被测电容为10-60微安时，整数电容实验测量结果基本没有误差。

3. 在被测电容为60-100微安时，实验测量数据存在明显误差，被测电容大，误差相对较大，但在实验要求的测量精度范围允许之内。出现误差的原因可能是因为被测电容本身的容值不够准确，还有被测电容大，转化成的脉冲信号的高电平时间长，而可能与低电平时间比例不够合适，导致出现一定的误差。另一方面电路中的10Hz脉冲信号不够准确的原因，因为10Hz脉冲越准确，实验误差会越小。

总之，实验产生的误差在测量精度允许的范围之内，可以认为此次实验基本达到要求。

七、实验芯片介绍

1、555定时器介绍 ：原理图如下

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555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

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4、74LS273芯片介绍：

74ls273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。 CPU 的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK 端相连。

74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。

5、74LS47芯片介绍：

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,通过它解码， 可以直接把数字转换为数码管的显示数字

74LS47译码器原理：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，它与数码管配合使用

八、课程设计心得体会

时间过的好快，转眼间，为期两周的电子技术课程设计就结束了。通过这两周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。

设计，给人以创作的冲动。但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。

课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系

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统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

课程设计的过程中，由于对理论掌握的不熟练，或者是操作过程中发生失误，都会导致最后结果出不来。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

对我们电子信息专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在两周进行，但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。

通过课程设计，我还更加明白了一个真理。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，数字钟不过是由计数器和译码显码器组合而成，也便不以为然搭建电路图，结果电路出现诸多问题，譬如短路开路，EWB中引脚悬空即为低电平，现实中引脚悬空呈现大电阻特性即高电平，不为则不知，无为则无知，实践出真知。

课程设计达到了专业学习的预期目的。在两个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在此我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

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九、 意见与建议

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。至于建议，一言以蔽之，大学教育应该多多增加这种性质的课程。

针对于课程设计的内容，我建议能够更加贴近我们大学生的日常生活，多多增加类似于“抢答器电路”的这种课题，这样能够更好的激发起大家对这个设计题目的兴趣。

十、参考文献

[1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高教出版社，2006：11—29.

[2] 阎石.数字电子技术基础.高教出版社，2006：66—309.

[3] 金唯香，谢玉梅.电子测试技术.湖南大学出版社，2005：154—189.

[4] 彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社，2006：103—117

[5] 李国丽，朱维勇. 电子技术实验指导书. 中国科技大学出版社,2005：128—146

[6] 李良荣.EWB9电子设计技术.机械工业出版社，2006：203—225

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fnvi.html