数显电容测试仪-毕业设计

数显电容测试仪

摘 要

随着科技的不断发展，人类的不断进步，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影响，因此测量电容的大小在生产和生活中起着至关重要的作用。本课题就是关于电容的测量并通过数字显示出来。

电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。电容的测量有多种方法，有电桥法、单片机法、容抗法、调频法、运算放大器法、脉宽调制法等。本设计采用脉宽调制法，本电容表五位LED显示容量，两位LED显示单位，分为三个量程：0pF—99999PF、0.001μF—99.999μF、0.1μF—9999.9μF。全数字电路，晶振稳频误差小，耗电量小，制作费用低。电路可分为四个部分，显示电路、测量电路、量程转换及符号控制电路、电源电路。要用数字电路来测量电容的容量可以把容量转换成相对应的脉宽宽度，将电容接入一由NE555构成的单稳电路，此电

摘要

路的暂稳态时间即脉宽。此脉冲用来控制一个电子开关，让固定频率的脉冲通过电子开关送往显示电路，由七个数码管显示出来。

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！

关键词：译码显示，计数测量，脉宽调制法，单稳电路

I

Abstract

目录

摘要 ................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................... II 目录 ................................................................................................................. III 第一章 绪论 ................................................................................................... 1 1.1课题研究现状 .......................................................................................... 1

1.1.1 电容测量的技术发展 ........................... 1 1.1.2 课题研究的目的与意义 .......................... 2 1.2课题主要设计内容 .................................................................................. 2 1.3课题指标与参数 ...................................................................................... 2 第二章 各设计方案的比较及论证 ............................................................... 3 2.1 各方案基本原理的介绍 .......................................................................... 4 2.2 方案比较及确定 ...................................................................................... 8 第三章 总体电路设计 ................................................................................... 9 3.1系统工作原理及方框图 .......................................................................... 9

3.1.1容量测量工作原理 ............................. 10 3.1.2 NE555的介绍 ................................. 10 3.2电源电路 ................................................................................................ 12

3.2.1桥式整流电路的工作原理 ....................... 13 3.3测量电路 ................................................................................................ 14

3.3.1 MC14060的介绍 ............................... 15 3.3.2 MC14040的介绍 ............................... 17 3.4 量程转换及符号控制电路 .................................................................... 18

3.4.1 MC14017的介绍 ............................... 19 3.5计数显示电路 ........................................................................................ 21

II

目录

3.5.1 七段LED显示及其工作原理 .................... 23 3.5.2 MC14543的介绍 ............................... 24 3.6采用脉宽调制法的误差分析 ................................................................ 26 3.7使用方法与校正 .................................................................................... 27 3.8元件的选择与制作 ................................................................................ 27 3.9整体电路原理图 .................................................................................... 28 第四章 PROTEL DXP应用 ......................................................................... 29 4.1 PROTEL DXP的介绍 .............................................................................. 29 4.2 原理图设计步骤 .................................................................................... 30 4.3 PCB板图的设计步骤 ............................................................................ 31 结 论 ............................................................................................................. 35 参考文献 ......................................................................................................... 36 致 谢 ............................................................................................................. 37 附录 ................................................................................................................. 38

IV

第一章 绪论

第一章 绪 论

1.1 课题研究现状

随着科技的不断发展，人类的不断进步，电子技术领域的发展可谓突飞猛进，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。电容测量仪的发展水平越来越高，目前电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。如：YD2612A/12B电容测量仪，它有着良好的测试稳定性，抗冲击能力强。如：TH2615系列电容测量仪，它是一种易操作、智能化的电容测量仪，仪器价格低，测试速度快。如：多频HF2617电容测量仪，它的可靠性稳定性强，测量显示直观，适用性好。因此，目前精确度高、稳定性好、仪器价格低、测试速度快的电容测量仪有着极大的需求。

1.1.1 电容测量的技术发展

测量电容器的参数，最经典的方法是采用电桥法，80年代问世了数字自动电桥，电桥在内部微机的控制下自动平衡，最终结果直读得到，大大方便了使用，如今高压西林电桥、高频电桥等几乎已经被自动化电桥所替代。由于电桥的结构复杂，成本相对也较高，对电容器的一般测量如仅测其电容量，可以用阻抗法测试。阻抗法相对于电桥法简单的多，有的数字式万用表配备有电容测试功能，其原理大都是以阻抗法实现的。随着测试技术的不断进步，特别对相位角测试精度的提高，在阻抗法测量的同时增加相位角的测量可以较准确的得到介质损失角，在一定范围内已经可以替代电桥法测量。小型电容测试仪还常用积分法或斜率法（含双斜率）测试电容，原理是测试RC积分时间或以恒流源对被测电容充电，用充电时间或充电终止电压来计算被测电容的电容量，可以达到比较高的测试精度，因为测试电源本质上为直流，该方法对测试电解电容非常合适。

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第一章 绪论

1.1.2 课题研究的目的与意义

数字电子技术在现代社会得到了广泛的应用，电容是电子技术中不可缺少的部分，它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。通过对数显电容测量仪的设计，使我巩固了所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，培养了我综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；同时对电容测量仪器的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握了应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法；可以帮助改进现有电容测量系统的不足，为企业产品创新做出帮助；提高自己的动手实践能力和对电子设计的兴趣，为自己以后从事电子类专业打下坚实的基础。

1.2 设计的主要内容

1. 方案比较及论证 查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。 2. 基本测量原理。

3. 工作原理、框图及单元电路设计。 4. 系统实现及元器件选择。

5. 绘电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。

6. 结论。

1.3 设计的技术指标与参数

1. 测量范围：第一档0pF—99999pF，第二档0.001μF—99.999μF，第三档0.1μF—9999.9μF

2. 测量小电容时有校正电路。

3. 显示方式：七位LED数码管显示，五位LED显示电容量，两位LED显示单位。

4. AC220V供电

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第二章 方案比较与论证

第二章 方案比较与论证

2.1 各方案基本原理的介绍

电容测量仪的基本原理是把容量转换成其它形式的物理量，通过对其它物理量的测量，从而计算出电容的容量。可以转换为电压值来测量，可以转换成脉冲宽度，可以用容抗值来测量，测量的方法有多种。

1. 方案一 微分法测电容

如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx成正比的直流电压Ux ，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。（电路如图2-1 所示）

设三角波函数式为

UI=Kｔ （0 ≤ｔ<ｔ1） (1-1)

UI=－Kｔ （ｔ１≤ｔ<ｔ2） （1-2)

dUi因为 iｘ＝C

dtUO??ixR

所以 UO??CKR （0 ≤ｔ<ｔ1） (1-3)

UO?CKR （ｔ１≤ｔ<ｔ2） (1-4)

图2-1方案一设计总体框图

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第二章 方案比较与论证

2. 方案二 单片机法测电容

把电容C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。

该设计方案的总体方框图如图2-2所示。

被测电容 RC电容三点式振荡电路 单片机 数字显示 8 0 C 5 1

图2-2 方案二的总体方框图

3. 方案三 电桥法测电容

如图2-3 所示，C1与C2以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。Z1与Z2是祸合电感，这种电桥的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作已广泛应用。另外两桥臂为次级线圈，使用元件少，桥路内阻小，应用较多。输出电压Usc的幅值与被测量成正比，这种电路又称做调幅电路。当传感器接有工作负载时，USC=E△d/d压除与被测量变化△d有关外，还与电桥d电源 电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。

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第二章 方案比较与论证

USC 图2-3电桥法测电容原理图

USC 电容电桥的主要特点有:①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧) ，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。

4. 方案四 调频法测电容

调频电路如图2-4所示，它的优点是：频率输出易得到数字量输出，不需 A/D转化；灵敏度较高，可测量 0.01um级位移变化，能获得伏特级直流电压信号，直接与微机匹配，抗干扰能力强，可长距离发送与接收。因此在使用中，要求元件参数稳定，电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其频率误差约为0.1 %-1%。此外，输出非线性较大，需误差

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第二章 方案比较与论证

补偿。统的模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。数字化测量首先是将电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。对于电容量微小变化的测量，介绍了一种借助比较电容来测量△C的方法。它的电容测量电路原理就是调频电路原理。

调频振荡器 L Cx C0 限幅器 鉴频器 放大器 Usc

图2-4 调频法测电容原理图

5. 方案五 运算放大器法

该电路的最大优点是能够克服变极距型电容传感器的非线性及采用虚地法驱动电缆屏蔽( 也称不完善屏蔽法，这是运算法屏蔽的一种，此外还有完善屏蔽法，1 :1中和屏蔽法等) ，解决了 1 :1放大器难以实现的中和电路对寄生电容的跟踪问题。图2 - 5为其原理图。Cx是传感器电容，C是固定电容，u是输出电压信号。由运算放大器工作原理可知

图2-5 运算放

大器法测电容原理图

Usc?

1/(jwCx)Cu??u

1/(jwC)Cx- 6 -

第二章 方案比较与论证

将C x= (?S/?) 代入上式得

uC? ?S式中负号表明输出电压与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间成Usc??线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=∞,输入阻抗Z =∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Z足够大，所以该误差很小、其灵敏度可达0.01um。缺点是运算放大器电源电压低，灵敏度受限制且输出稳定性将受信号源及放大器影响

6. 方案六 脉宽调制法

电路由显示电路、测量电路、量程转换及符号控制电路、电源电路组成。把要测量的容量转换成一定的脉冲宽度，此脉冲用来控制一个电子开关，让固定频率的脉冲通过电子开关送往显示电路，即可达到测量显示的目的。显示电路由MC14543和MC14553数码管及周围电路组成，来显示相应电容的大小。测量电路由MC14060、MC14040及周围电路组成，稳定的基准脉冲通过电子开关的控制送往显示电路，把需测量的电容的充电时间转换成相应的脉冲来控制电子开关的开启时间让相应数量的基准脉冲通过，进行计数和译码。量程转换及符号控制电路由时基电路NE555接成单稳电路和分频计数电路MC14017及周围电路组成来控制量程和符号。（详细分析见第三章）

2.2 方案比较及确定

结合任务书中的要求：

1. 测量范围：第一档0pF—99999pF，第二档0.001μF—99.999μF，第三档0.1μF—9999.9μF

2. 测量小电容时有校正电路。

3. 显示方式：七位LED数码管显示，五位LED显示电容量，两位LED显示单位。

4. AC220V供电

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第二章 方案比较与论证

方案一采用了A/D转换器，价格比较昂贵，精度不高，不适合设计要求。方案二元器件简单，容易实现，测大电容时误差较大，测量范围不够宽，顾也无法实现目标。方案三适合于高频，那么低频测量就会受到影响，所以也不选择它。方案四要求元件稳定，输出的非线性误差大。方案五运算放大器电源电压低，灵敏度受限制且输出稳定性将受信号源及放大器影响。方案六稳频误差小，耗电量小，测量范围宽，但要求频率稳定。

通过以上方案的比较，各个方案各有特点，适合测量的电容也各有千秋。但结合任务书中的要求和自己实际情况，经过反复思考和多次讨论，决定采用方案六，因为它的特点:测量方法和硬件电路比较简单；频率稳定加一个1MHz的晶振就可以。由三档量程可以测任何大小的电容，误差小，花钱不多，易于动手制作。能很好的满足设计任务的要求。所以选择该方案。

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第三章 总体电路设计

第三章 总体电路设计

3.1 原理方框图

量程、符号及小数点转换电路译码显示电路闸门控制电路测量及电容脉冲转换电路 基准脉冲 发生器12V稳压电源分频电路及清零电路负脉冲形成电路

图3-1原理方框图

此电路由译码显示电路、电容测量电路、量程转换及符号控制电路、电源电路组成。

把要测量的容量转换成一定的脉冲宽度，此脉冲用来控制一个电子开关，让固定频率的脉冲通过电子开关送往显示电路，即可达到测量显示的目的。显示电路由MC14543和MC14553数码管及周围电路组成，来显示相应电容的大小。测量电路由MC14060、MC14040及周围电路组成，稳定的基准脉冲通过电子开关的控制送往显示电路，把需测量的电容的充电时间转换成相应的脉冲来控制电子开关的开启时间让相应数量的基准脉冲通过，进行计数和译码。量程转换及符号控制电路由时基电路NE555接成单稳电路和分频计数电路MC14017及周围电路组成来控制量程和符号。

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第三章 总体电路设计

3.1.1 容量测量原理

要用数字电路来测量电容的容量可以把容量转换成相对应脉冲宽度，次脉冲用来控制一个电子开关，让固定频率的脉冲通过电子开关送往显示电路，即可达到测量显示的目的。如测量一个1pF的电容，将电容接入一个单稳态电路（如图3-2所示），此为NE555的典型应用。此电路的暂稳态时间即脉宽T=1.1×910×103×10-12=1.001×10-6=1μS基准频率取1MHz，其周期也是1μS，也就是说1μS的暂稳态时间即脉宽控制的电子开关能通过一个脉冲到达显示电路，即显示1pF。电子开关的开启由基准脉冲控制。测量其它量程电容容量的方法以此类推，只是测量电阻不同而已。本表分为三个量程，即第一档0pF—99999pF，第二档0.001μF—99.999μF，第三档0.1μF—9999.9μF。

图3-2 单稳态电路

3.1.2 NE555的介绍

555定时器是一种将模拟功能和逻辑功能结合在同一块芯片上的集成电路，8脚封装。最初由美国SIGNETICS公司在1972推出投放市场,很快得到广泛应用，也因为应用广泛，许多其它公司也推出了功能一样的类似型号。此芯片内使用了3个精度较高的5K分压电阻，型号由此而得名。NE555是双极性器件的

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第三章 总体电路设计

集成电路，内含2个555电路的型号为NE556，为14脚。另有CMOS工艺的7555和7556。NE555电压使用范围为4.5V - 18V.7555则为3V - 15V。

a.NE555引脚位配置说明下：

图3-3 NE555接脚图

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路的共同接地端。 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) -当时间周期开始输出555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0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。当计时器工作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。

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第三章 总体电路设计

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计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 b．NE555时基电路主要有3种基本应用 1. 多谐振荡器

高电平时间：T1=0.693(R1+R2)C 低电平时间：T2=0.693R2C 振荡周期：T=0.693(R1+2R2)C

C2为抗干扰电容,一般取0.1uF-0.01uF,要求不高也可不用。 2. 单稳态触发器 延时时间：T=1.1RC秒 3. RS触发器

通电后输出为高，按S1输出为低，按S输出为高，6 7可连接。

3.2 电源电路

电源电路给控制电路及其它电路提供电源，电源设计是电路设计很重要关节，它的稳定与否涉及到电路否能稳定工作。由于本系统所用的一系列芯片的电源都是直流电源，而现实中用的都是交流电，故要把交流电整流成直流电，本设计运用的是桥式整流法把交流电整流成直流电，用LM7812实现稳压输出，

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第三章 总体电路设计

从而满足系统的要求。

系统所用直流电源由三端集成稳压器LM7812组成的串联型直流稳压电源提供，如图3-4所示：

图3-4 系统电源电路

设计中选用了LM7812三端集成稳压器，提供+12直流电压，输出功率为15W。在整流之后采用了大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。但由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制,因此在整流电路后加入高频电容，可以进一步改善纹波。

这些电容应选用频率特性好的陶瓷电容或炭电容。通过电容滤波可以提高稳压器的稳定性和改变瞬态响应。稳压器的容量和调整范围留有充足的裕量。稳压器的输入电压应比输出电压大一些，取大于等于3V，由多抽头变压器T提供。三端稳压器全都加上了散热器，以增强工作的稳定性。

3.2.1 桥式整流电路的工作原理

在输入电压的正半周，其极性上正下负，即a点的电位高于b点的电位，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电流i1的通路是a- D1-RL- D3-b。在负载电阻RL上得到一个半波电压，ul=u2。

在输入电压的负半周，其极性上负下正，即a点的电位低于b点的电位，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，电流i2的通路是b- D2-RL- D4-a。在负载RL

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3.3 测量电路

上得到一个半波电压，ul=-u2。

图 3-5 单相桥式整流电路

电阻串联，即可达到输出波形平滑的目的。

第三章 总体电路设计

过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电阻并联或将电感器与负载

电容器和电感器是基本的滤波元件。主要利用电容器两端的电压不能突变和流

因此需要采取措施，尽量降低输出电压中的纹波，同时还要尽量保留其中的直

流成分，使输出电压更加平稳，接近直流电压。滤波电路就是完成此项工作。

但是单相桥式整流电路的输出含有较大的纹波，这远不能满足我们的要求，

图3-6 测量电路

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第三章 总体电路设计

测量电路是由IC5—IC7、IC10-1及周围电路组成。IC5是MC14060，其10、11脚的内部电路和外面的阻容元件及晶振组成振荡电路，从9脚输出稳定的1MHz稳定的基准脉冲，送到电子开关IC10-1的输入端，经电子开关的控制再送入显示电路，另一路经MC14060本身分频后，再经IC6即MC14040分频和选择，（选择的频率越低，两次测量的间隔时间越长，4脚约为8秒，2脚约为4秒，3脚约为2秒，5脚约为1秒。）得到一频率极低的脉冲，此脉冲一路是作为显示电路的清零，另一路经RC微分后在脉冲的下降沿形成一负脉冲触发测量电路的工作。IC7是时基集成电路NE555接成典型单稳电路，2脚由负脉冲触发后就把电路中的测量电阻对CX和Cb（Cb为效正电容）充电时间转换为相应的宽度脉冲从3脚输出，再用此脉冲去控制电子开关IC10-1的开启时间，让相应数量的基准脉冲通过，送达显示电路进行计数、译码即可显示电容的容量。

本电路中主要具有放大分频整形的功能，根据题目要求，放大电路由两个电路组成，一个是放大10MHz以上的信号;另一个是放大10MHz以下的信号。

10MHz以上的信号从CZ2输入，先经过电容C11的隔离后在IC10（uPC1651）中对其进行信号放大，再经过微波分频电路IC9（AD829）进行100倍分频，从2脚输出的信号送入放大整形电路。 而10MHz以下的信号从CZ3输入，经电容

C15隔离后送放大整形电路对其进行放大整形，而共同的放大器是由三级CMOS

反相器IC8（HEF4069UB）的1－3串联而成。放大倍数M＝R28/R31＝200倍，已经能让30mV以上的信号放大到限幅状态。而晶振频率的测量可以通过CZ4与

IC8的6脚组成一个振荡器，其振荡频率经K1选择后送入计数显示晶振的工作

频率。

整形电路是由IC8的4-5和R29、R30组成施密特触发器，它能将模拟信号变成边沿陡直的方波脉冲，进功能转换开关K1送到计数电路，用CMOS反相器组成放大器具有输入阻抗高，功耗小，简单可靠，无需调试等特点。

3.3.1 MC14060的介绍

MC14060是二进制串行计数器时钟脉冲发生器，它是一种带有振荡器的14级分频器电路，用作振荡器时带外接R、C元件或石英晶体和电容器，数码

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第三章 总体电路设计

显示用的时钟信号是由使用场合决定的，MC14060制作脉冲发生器具有电路简洁，工作可靠，成本低，精度高的特点。MC14060的10脚和11脚的内部门电路与外接的晶体元件构成典型的晶体振荡器，在这个设计中振荡器是由晶体JZ（1MHZ）决定，调节C3可微调振荡频率,1MHZ的振荡信号由MC14060内部的14级二进制分频器分频后输出需要的脉冲信号。 1.特性

(1)广泛的供应电压为3.0V至15.0V (2)高的噪声门限为0.45 VDD（typ） (3)低电平TTL负载 2.引脚图

图3-7 MC14060引脚图

3. 真值表

表3-1 真值表

输入 时钟 X ↓ ↑ 复位 H L L 输出 Qn 所有输出为L 进到下一状态 不变

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第三章 总体电路设计

3.3.2 MC14040的介绍

MC14040是十二位二进制串行计数器，具有分频作用，被分频信号由CP端输入，分频后的信号分别由Q1—Q12输出，最小分频数为2，最大分频数为212=4096，即Q1的输出信号频率为输入信号的1/2，Q12端的输出信号频率为输入信号的1/4096。

图3-8 MC14040引脚图

MC14040功能表

表3-2 MC14040功能表

时钟 X ↑ ↓ 重置 1 0 0 输出 所有输出为低电平 无变化 进入到下一状态

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第三章 总体电路设计

3.4 量程转换及符号控制电路

图3-9 量程转换及符号控制电路

量程转换电路是由IC8、IC9和周围电路组成，IC8是时基电路NE555接成单稳态电路，按一下轻触开关AN，3脚就输出一个脉冲；IC9是分频计数集成电路MC14017，它接成三分频方式，三个脉冲循环一次，它对IC8送来的脉冲计数分频，得电瞬间电路被清零，Q0（集成电路的3脚）出现高电平，相应的继电器J1吸合，JK1导通把R32接入测量电路，同时也在控制IC10?2的5脚为高电平。如这时IC6也没有清零脉冲输出，那么IC10?2的6脚也会是高电平，根据与门电路积得关系，IC10?2的4脚会输出高电平，这时Q4导通，通过二极管的编码后，单位电路显示pF字样。按一下AN后，MC14017的Q1出现高电平，相应的继电器吸合，转到下一量程，单位电路显示μF，数码管的第一个小数点也会被点亮，完成容量的显示。

电子计数器的内部时间基准由石英晶体振荡器提供。测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用做控制门电路的时基信号，时基信号经过门

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第三章 总体电路设计

控电路形成门控信号。

整个电路的工作方式是：得电瞬时IC7电路自动清零，3脚(Q0)K1在1位时，为低电平，计数器被清零。IC6的3脚输出的脉冲上升沿使IC7的3脚变为高电平，如此时放大分频整形电路有信号输出，计数电路将开始记录脉冲个数，经IC6输出两个脉冲后（每个脉冲周期是0.5秒）再输出的7个脉冲将使IC7的7、10、1、5、6、9、11（Q3-Q9）分别出现高电平，这些脚经二极管D1-D7隔离后接在计数器的锁存控制端上，使计数器显示刚才记录的脉冲个数，完成一次测量。C24是防止计数电路在IC7的Q3-Q9电平跳变时漏计待测脉冲个数。计数器的工作时间关系是：清零（0.5秒）——计数（1秒）——锁存（4.5秒）。

K1在2位时，是方波信号输出与校正功能。IC6的5脚将输出1024Hz的方

波，经C16隔离后由CZ1输出信号。此信号的峰值电压是15V，但电流较小不能直接驱动扬声器，只能做信号源使用，此时计数电路显示的数字即为信号的频率数、以方便核对IC6的振荡频率是否正好为32768Hz，如不是，调节C5使计数电路显示1024Hz，那IC6的3脚就能输出精确的2Hz脉冲。即完成校正功能。

此时插在CZ4上的待测晶振与IC8的6脚组成K1在3位是测量晶振的功能。

振荡器，其振荡频率经K1选择后送计数电路显示晶振的工作频率。此振荡器在1000KHz—10MHz均能起振，对测量两脚、三脚的晶振非常方便

3.4.1 MC14017的介绍

MC14017是带异步清零、无预置端、具有时钟禁止端的十进制脉冲计数/分配器。它在本次设计中用在了脉冲发生电路和控制电路中，名为IC9。 1. 简要说明

MC14017具有三个输入端：清零端RESET,时钟端CLOCK，允许端

———

CE。如果要用上升沿来计数，则信号由CP端输入；如果要用下降沿来计

———

数，则信号由CE端输入；MC14017具有10个输出端Q0~Q9,每个输出端的状态与输入计数器的脉冲个数相对应，每一时刻只有一个输出端为“1”其余输出端皆为“0”。另外，为了级联方便，还设有进位输出端C0，每输入10个脉冲就输出一个进位脉冲。

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第三章 总体电路设计

2. 推荐工作条件

电源电压范围：3V—15V 输入电压范围：0V—VDD

工作温度范围：M 类：55℃—125℃ E 类：40℃—85℃ 3. 极限值

电源电压：-0.5V—18V 输入电压：-0.5V—VDD +0.5V 输入电流：±10mA 贮存温度：-65℃—150℃ 4. 真值表

表3-3真值表

时钟 X L X ↑ ↓ H H 时钟允许 X X H L L 清除 H L L L L L L 解码输出 Q0 Qn Qn Qn+1 Qn Qn Qn+1 ↑ ↓

5.引脚排列

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第三章 总体电路设计

图3-10 MC14017引脚排列

引出端功能符号

CO：进位脉冲输出端 CLOCK：时钟输入端 RESET：清除端

_____

CE：时钟允许端 Q0-Q9 ：十进制解码输出端 VDD：正电源 Vss：地 如果Q9输出可作十进制计数器，如果从其它输出端输出可作相应的分频。

3.5 计数显示电路

显示电路是由IC1—IC4、Q1—Q3数码管及电阻电容组成。IC1、IC2是MC14543，其功能是把8421码转换成七段显示的十进制码，驱动共阴极数码管。其5、3、2、4脚是8421码A、B、C、D的输入端，9至15脚七段数码a—g的输出端。IC3、IC4是MC14553它是一片三位8421码计数器，利用分时控制可以使用一只译码器显示三位数字，其9、7、6、5脚是8421码A、B、C、D的输出端，1、2、15脚是三位数码显示的扫描输出端，12脚是脉冲输入端，14脚是溢出端3、4脚是外接振荡电容端。（各集成电路的引脚功能详见下面介绍）数码管是共阴0.5寸红色5只、绿色两只。5只红的作为电容容量显示，2只绿的作单位显示，单位显示是指用数码管经二极管编码后显示（pF或者μF），并控制小数点的点亮，连接方法见电路图（如图3-11）

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示。

3-11 计数显示电路

第三章 总体电路设计

由IC3直接控制进行显示，如果超过一定值，通过IC3的5脚溢出端送入IC5对其数字进行锁存。当计数器对其数字计数后，要想送入显示器显示，先

IC5的13脚来进行锁存，这里锁存的主要目的是由于人眼有一定的视觉暂

留，在10ms之内，人眼无法察觉其变化。为了克服其不足，所以要采用

脉冲输入端，IC4和IC1通过同样的方式来控制另外2个数码显示管进行显

B、C、D端输出给IC2的A、B、C、D输入端，IC2再把得到的8421码转

超过所能控制显示的数值时，IC5又通过它的14脚溢出端送入IC4的12脚

脚和IC5的10脚的闸门信号同时开启，允许计数，并将计数值送入IC4和

换成七段显示的十进制码，从而控制3个数码显示管进行显示。当IC5也

计数显示电路的工作过程为：当有脉冲输入后，IC3的2脚、IC4的10

的12脚脉冲输入端，这时由IC5对脉冲计数并把得到的计数个数通过A、

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第三章 总体电路设计

3.5.1 七段LED数码管的介绍

七段LED数码管是利用7个LED发光二极管外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0—9等十个数字和小数点，使用非常广泛，其外观见图3-13

图3-12七段LED数码管

这类数码管可以分为共阴极和共阳极两种。共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g、dp；共阴极则是把所有LED的阴极共同连接到接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g、dp。LED数码管各发光二极管的发光特性和普通二极管类似，只是正相压降较大，正向电阻也较大，在一定范围内其正向电流与发光亮度成

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第三章 总体电路设计

正比，由于常规的数码管起辉电流只有1—2 mmA，最大极限电流也只有10—30mmA，(静态总电流800 mmA，每段10 mmA，动态平均电流4—5 mmA，峰值电流100 mmA)，所以他的输入端在5V电源或高于TTL高电平3.5V的电路信号相接时，一定要串加限流电阻,以免损坏器

图3-13 数码管

对单个数码管来说从它的正面看进去，左下角那个脚位为1脚，以逆时针方向分别为1—10脚，左上角那个脚便是10脚了，3脚和8脚是连通的，这两个脚是公共脚。

3.5.2 MC14543的介绍

1.引脚图

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第三章 总体电路设计

图3-14 MC14543引脚图

由图可见，它主要包括16个引脚，分别是：

1脚（LD）：锁存器禁止端 2－5脚（A－D）：8421码的输入端 6脚（PH）：相位输入端 7脚（BI）：空白显示

8脚（Vss）:地 9－15脚（a-f）:七段数码的输出端。 16脚（VDD）：正电源 2. 真值表：如表3－4所列

从表中可以看出通过一定的逻辑运算，输入端A、B、C、D，通过LD的控制，以及相位的控制，输出其显示十进制数字。

表3-4 真值表

输入 输出 LD BI PH D C BA a b c d e f g 显x1111111

示 隐 0 1 2 3 4 5 6 10000000 0 0 0 0 0 0 0 0 x0000000 x0000111 x0011001 x 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 消0 0 1 1 1 1 1 - 25 -

第三章 总体电路设计

1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 111111110↑7 8 9 消消消消消消* 隐 隐 隐 隐 隐 隐 000000000↑ 0 0 0 0 0 0 0 0 11111111 00001111 00110011 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 * 0 x ↑ ↑ x x x *输出组合反向 如上图所示

3.极限参数

表3-5极限参数 特性 符号 VDD 直流电源电压 Vin 输入电压,所有输出 每管脚的直流拉电流 工作温度范围 —Ⅰ类、Ⅱ类 蓄电温度范围 每个输出端最大连续输出驱动电流 每个输出端最大连续输出功率 额定值 -0.5—+18V -0.5—-VDD+0.5 10 -55—+125 -40—+85 -65—+150 单位 V V mA ℃ ℃ mA mW I Ta Tstr IOHmaxIOLmin 10 POHmaxPOLmax 70 POHmax?IOH(VOH?VDD) POLmin?IOL(VOL?VSS) 3.6 采用脉宽调制法时的误差分析

1. 测量电容的容量转成脉冲宽度时误差要小，解决措施：R32，R33，R34选误差小的电阻误差选0.5%。

2. 基准频率发生器产生的频率要稳定，解决措施：用石英晶振制作振荡电路误差来源主要包括量化误差、触发误差、标准频率误差。

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第三章 总体电路设计

3.7 使用与校正方法

本电容表制作完成后，根据两次测量间隔时间来确定IC6MC14040~出的脉冲周期，(一般用4秒)将其对应的点焊接上，检查无误即可开机工作。在工作前要元件清单有两处调试。一是先调C3，把IC3的9脚输出的基准频率调到1.000000MHZ，二是在制作完成时，先不要接上Cx、Cb，打开电源、本表在pF量程档有数字显示，这是电路的分布电容，焊入一只电容Cb，使电容表显示一个整数的值(如200pF)，记注此基数值，以后在测量pF级的电容时、均要减去此基数值才是被测电容的真正容量。校正电容Cb的容量要大于时基电路NE555的6、7脚之间的分布电容，大概在150pF以上。本表在校正后可以测量5pF以上的电容。在其它量程上不用如此调试，制作完成后就可以工作。以上调试的步骤不可反向。

3.8 元件的选择与制作

本电容表使用的集成电路最好使用插座，电阻、电容的选择不但要考虑其大小，还要注重它们的性能，如耐压值、功率、什么材料制作而成的等条件。电阻除了R32—34以外，均用1／8W的碳膜电阻，电阻R32-34要用精度为0．5％以上的金膜电阻以确保电阻值准确。如无法得到表中的数值可用串并的方法获得。容量小于1F的电容首选钽电容和高频瓷片电容，其它可选质量好的电容。二极管为lN4000系列。三极管为C8050系列。继电器为12V单刀任何系列均可。数码管为0．5英寸共阴的任何型号。晶振为铁封型，精度要高，最好是小数点后有四个零以上的。安装时先要把所有的跳线焊好，因为有些跳线在集成电路的下面。电路板为两块，一块是主板，100*120mm‘，另一块是显示板，40*100mm，为单面板、但元件面需补焊若干条跳线。

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3.9 整机电路原理图

图3-15 整机电路原理图

第三章 总体电路设计

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第四章 Protel DXP的应用

第四章 Protel DXP的应用

4.1 Protel DXP的简介

Protel 自问世以来，随着计算机技术的迅速发展，从DOS环境下的Protel for DOS 到基于Windows的Protel for Windows 1.0，再到Protel 98、Protel 99、 Protel 99SE，版本在不断地更新换代，近年来又先后推出了Protel DXP、Altium.Designer 6.0等版本，新版本的功能越来越强大，智能化程度也越来越高。从目前的生产使用环节来看，Protel DXP已逐步呈现取代Protel 99SE的趋势，因此学习Protel DXP的应用是非常必要的。

Protel DXP 在功能上全面兼容Protel系列以前版本的设计文件，还提供了混合电路仿真功能，为正确设计实验原理图电路中某些功能模块提供了方便；提供了全新的FPGA设计的功能，这是以前的版本所没有提供的功能；提供了更加丰富的原理图组件库和PCB封装库以及强大的查错功能。Protel DXP将原理图编辑、电路仿真、PCB设计及打印功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境，因此使用更方便，功能更强大。

常见环境名称：PCB Document 电路板文件 Schematic Library 原理图PCB Library document 电路板封装库文件 Schematic Document 原理图文件。单击菜单File/New，屏幕显示如图4－1所示

图4－1 设计界面

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第四章 Protel DXP的应用

4.2 原理图设计步骤

1、准备画图 （1）启动Protel DXP

第一，从Windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入Protel DXP环境。 第二，使用菜单File/New或File/New Design建立新设计数据库文件。 第三，使用菜单File/New，在打开的窗口选择Schematic Document 图标，建立

新原理图文件，如图4-2所示。 第四，将原理图文件打开。 （2）设置原理图工作环境。

第一，使用菜单Design/Options，在如图4-2所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格

等内容.

第二，使用菜单Tool/Preference 中设置图纸移动方式和速度等内容。

图4-2原理图图纸

2、设置元件库

必须有元件库才能画图，所以画图前应该在元件库管理器中放置一些元件库。首先进入元件库管理器，然后单击Add/Remove按钮，在出现的窗口选择

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第四章 Protel DXP的应用

\\Design Expiorer 99SE/Library /Sch路径，再选则常用的元件库文件。单击OK。在实际画图中，若所有的元件库没有需要的元件，就必须画元件图。 3、画图的简单步骤。

（1）首先将所有元件从库中取出来，放置在图纸上，并调整好位置。 （2）使用连线工具将元件连接起来。 （3）设置元件属性。

（4）使用Tool/Annotate菜单对元件进行编号。 （5）进行电气检查（ERC）。

（6）使用Edit/Export to Spread 菜单简历元件列表。

（7）使用Design/Create Netlist 菜单建立网络表，为画电路版图做准备。

4.3 PCB板图的设计

前面介绍了如何设计原理图，设计原理图是为设计电路板图提供基础。下面就来看一下如何画电路板。电路板就是所有电子产品都具有的焊接元件的基板。设计电路板是每一个学习现代电子系统设计的人必须学会的技术。 1 快速确定PCB外形

设计PCB先要确定电路板的外形,通常就是在禁止布线层(KeepOutLayer)画出电气的布线范围。在画之前可以任意画出两条横线和两条竖线,然后利用“放置工具条”里的“设置原点”工具将某一条线段的端点设为原点即坐标为(0, 0),之后双击每一条线段,对其起点和终点的坐值进行相应的更改,使4条线段首尾相接,形成一个封闭的矩形框,电路板的外型确定也就完成了。如果在画图的过程中需要调整电路板的大小,只要修改每条线段的相应坐标值即可,简单、快捷。 2 元件布局

开始布局之前首先要通过网络表载入元器件,这个过程中经常会遇到网络表无法完全载入的错误,实际上这些错误主要可归为两类,一类是找不到元件,解决

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第四章 Protel DXP的应用

方法是确认原理图中已定义元件的封装形式,并确认已添加相应的PCB元件库,若仍找不到元件就要自己造一个元件封装了;另一类是丢失引脚,最常见的就是二极管、三极管的引脚丢失,这是由于原理图中的引脚一般是字母A、K、E、B、C,而PCB元件的引脚则是数字1、2、3,解决方法就是或者更改原理图的定义,或者更改PCB元件的定义使其一致即可。虽然Protel99 SE能够自动布局,但是,实际上电路板的布局几乎都是手工完成的。进行布局时,必须要遵循一些基本规则:

(1)特殊元件特殊考虑。一些特殊的元器件在布局时要从元件本身的特性、机箱的结构、维修调试的方便性等多方面综合考虑,以保证做出一块稳定、好用的PCB板。

(2)按照电路功能布局。如果没有特殊要求,尽可能按照原理图的元件安排对元件进行布局,通常情况下信号从左边输入、右边输出,从上边输入、下边输出。在布局时可以充分利用软件的网络显示/隐藏功能和快捷键。

(3)丝印层(Overlay)的文字标注。为方便电路的安装和维修,一般要在印刷板的上下两表面(TopOverlay和BottomOverlay)印刷上所需要的标志图案和文字代号。全局编辑是一个很实用的重要功能,可以设定各种全局条件进行某一特定情况下的批量修改工作。

3 布线是PCB设计中的一个非常重要的环节,可以说前面的准备工作都是为它而做的。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式有两种:自动布线及交互式布线。布线规则可以预先设定,需要经常修改的规则主要是间距(Clearance)和线宽(W idth),其它的规则一般默认即可满足大多数的要求。另外,在布线过程中还要注意以下几个问题:

(1)线长。敷铜线要尽可能短,在高频电路中更应如此。敷铜线的拐弯处应为圆角或斜角,直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。Protel DXP SE在交互式布线时可以很方便地改变拐角的形式,方法是确定线的起点后按住shift键,然后反复按下空格键,即可变成不同的形状。

(2)线宽。敷铜线的宽度应以能满足电气特性要求而又便于生产为准则,它的最小值取决于流过它的电流,如果板面积足够大,敷铜线宽度最好不要低于0. 3mm。另外,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线。

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第四章 Protel DXP的应用

(3)线间距。相邻敷铜线之间的间距应该满足电气安全要求,同时为了便于生产,间距应该越宽越好。最小间距至少能够承受所加电压的峰值,一般要求2000V电位差之间的敷铜线距离应该大于2mm。在布线密度低的情况下,间距应该尽可能的大。通常线间距最好不要低于0. 3 mm。

(4)屏蔽与接地。敷铜线的公共地线应该尽可能放在电路板的边缘部分。在电路板上应该尽可能多地保留铜箔做地线,这样可以使屏蔽能力增强。另外对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个环路或网格状,即构成一个地网来使用,而模拟电路的地线则不能这样使用。 4 结论

PCB板图的设计是一个复杂而又简单的过程。Protel提供了一个良好的电路设计开发环境,功能强大,方便实用。但是要设计出一块优良的PCB板,还需要不断地去学习和实践。 5. PCB版图

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第四章 Protel DXP的应用

图4－3 PCB版图

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结论

结 论

本次课题名为数显电容测量仪，此设计电容测量仪分为三个档次：第一档0pF—99999pF，第二档0.001μF—99.999μF，第三档0.1μF—9999.9μF，测量范围较宽，适合测量各种容量的电容，使用MC14017分频计数集成电路，当按钮AN按下不同次数时，其相应的管脚输出高电平，实现量程间的不同转换。在测量小电容时有校正电路，加入了校正电容，可以使测量更加准确。利用MC14553的分时控制原理可以使一只译码管显示三位数字。采用七位数码显示，五只数码管显示容量大小，两只数码管显示单位，测量时更加直观方便。电源采用220V交流供电，经变压、整流、滤波得到12V直流电源。设计结果基本达到设计要求。

由于设计时间相对来说比较仓促，加上专业水平有待提高，虽然本次设计达到了任务书中的要求，但还存在一些不足之处，需要进一步改进，以便使设计出的电容表更精确。

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致谢

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