数电课程设计报告

.熟悉各种元件及芯片的作用，并能将其运用到实际的电路中。

2.熟悉面包板的用法，能够熟练的进行连线。

3.通过此次的设计，加深对数电这门课的理解。

4.提高解决实际问题的能力。

二、设计任务和要求。

测量范围为1-999nf。

用三位led数码管显示测试结果。

1.熟悉各种元件及芯片的作用，并能将其运用到实际的电路中。

2.熟悉面包板的用法，能够熟练的进行连线。

3.通过此次的设计，加深对数电这门课的理解。

4.提高解决实际问题的能力。

二、设计任务和要求。

1. 测量范围为1-999nf。

2. 用三位led数码管显示测试结果。

3. 具有超量程显示。

4. 能自动地进行连续测量。测量周期为4秒，测量结果保持2秒左右。

5. 提供的主要器材：

1） ne555定时器、mc14553三位bcd计数器、cd4511bcd七段显示译码器、cd4001四二输入或非门各一块。

2）共阴结构led数码管、三极管、二极管、阻容元件等。

3）面包板、导线。

4）直流稳压电源。

5）调试用标准电容。

三、简易数显式电容计的组成和工作原理。

1、工作原理：对于一个容量不变的电容只要外部的充电电路参数被确定下来，则充放电的时间就被唯一确定下来，在这里我们可以应用电容的充电时间来控制计数器计数。既将电容的充电时间作为门控信号，将基准脉冲发生器提供的基准脉冲的宽度作为测量的模。

在被测电容充电时间内，被测电容开始充电时将闸门打开，充电结束时将闸门关闭。在闸门开放时间内，计数器所计得的基本脉冲数乘以模，既为电容的容量。如果改变充放电时间的数量级就可以改变测量电容的量程。

计数器可用十进制加法计数器构成，然后将计数器的输出通过译码电路显示出来。

将比较器的输出作为与门的控制信号，则在0到to的这段时间内与门开门，已知频率fo则的信号可以通过与门而进入计数器行计数。

我们可以应用555单稳态触发器的暂态持续时间来控制计数器计数。数显示电容计具有测量速度快，读数方便等优点，正在逐步取代传统的电容测试方法。

图3-1简易数显式电容计的组成框图。

2、组成部分：

简易数显示电容计的框图如图3-1所示，它由c-t转换电路、振荡器、控制电路、译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。

1．c-t转换电路的作用是把被测电容的电容量cx转换成脉冲信号，使脉冲信号的宽度tx正比于cx。单稳态触发器有定时时间正比于定时电容c的关系，因此可以用单稳态触发器实现此功能。

2．振荡器产生矩形脉冲，让计数器在c-t转换期间计数。如果cx大，则tx大，那么在tx期间计数器计的脉冲数就多，而计到的脉冲数多，代表cx就大。只要调整好振荡器的振荡频率，就可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的nf数。

3．计数器是三位十进制计数器。

4．显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数显示出来。

5．超量程指示电路的作用是当计数器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nf，此时显示器的读数已不是cx的值。

6．控制电路的作用是用来产生控制各部分电路正常工作的时序信号。

7．设计时采用cmos集成电路，电源电压用+5v。

四、单元电路的设计。

转换电路的设计。

在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用555定时器构成的单稳态触发器中，有。

tw=1.1rc

式中r和c为定时电阻、电容。

因此，在这里c—t转换电路采用单稳态触发器。用555定时器构成的单稳态电路如下图1，波形如图2所示。图中tx=1.1rcx。图1图2

在电路中加入了由cr和rr组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入vii的下降沿触发，定时时间与vii的低电平宽度无关。

考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内tx的时间为0.1ms~0.1s,即取r=91kω。图3

2.多谐振荡器的设计。

多谐振荡器也用555定时器成，电路如图3所示。

多谐振荡器的振荡周期为：t=0.7（r1+2r2）c，在tx内计数器计到的脉冲数n=tx/t,即有。

n=1.1rcx/t。

根据设计要求，n 就是被测电容cx的nf数，则有。

t=1.1*91*10^3*10^-9≈10^-4s

也就是说振荡器的振荡频率约为10khz。

根据振荡器周期的计算公式，先取c=0.01f。那么r1+2r2=14.

3kω,取r1=6.8 kω，则r2应为3.75kω。

可用4.7 kω的电位器作为r2来调整电容计的测量精度。

3.计数电路的设计。

1）计数器的选用。

计数器采用mc14553。mc14553是三位bcd加法计数器，集成电路的引脚图如图4所示。

图42）mc14553组成。

mc14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的bcd计数器、三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路，以及用于显示控制的数据选择输出ds1、ds2、ds3组成。

3）计数器电路的连接。

根据c—t转换电路在转换期间的输出时高电平，以及要用来控制计数器计数。将c—t转换电路的输出加到“cl端”，计数脉冲从“inh”端引入。

4.显示译码电路的设计。

1）显示译码器的选用。

显示译码器选用cd4511，cd4511是bcd七段锁存/译码器/驱动器，其引脚排列图如图5所示。

图5cd4511具有内部抑制非bcd码输入的电路，当输入为非bcd码时，译码器的七个输出端全为“0”电平，显示器暗。

在mc14511的输入端有四位锁存器，le为选通端，当le为“0”电平时允许bcd码输入，当le为“1”电平时锁存。

mc14511每段的输出驱动电流可达25ma，因此在驱动led数码管时要加限流电阻。

2）显示译码电路

计数和译码显示电路如图6所示，其中显示译码电路为扫描显示电路。

图63）限流电阻的选取。

设图7中三极管工作在放大区，/vce/=2v，则。

r=（6-2-2）/10=200ω

rb=（2-0.7）/0.5=2.6kω图7

三极管的β=10/0.5=20。

实际的显示译码电路中，一个三极管要驱动一只数码管，即要驱动七只发光二极管，而且在扫描显示中，数码管的每段电流要大一些。设每段电流为15ma，基极电流由mc14553的输出驱动电流限制，设为1.3ma，则可算得r=133ω，取130ω，rb=1kω，β15*7/1.

3=80，则选用的三极管的β值要大于80，icm大于105 ma。

5.超量程指示电路的设计。

超量程指示电路如图8所示。

图8图中由或非门构成的是一个基本的rs触发器。当mc14553在计数到1000个脉冲时，在“of”端会输出一个正脉冲，rs触发器的q置“1”，led灯亮，表示被测电容已超过999nf,这时的显示器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，q端置0，等待下一次测量。

6.控制电路的设计。

根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高，因此可用图9所示电路来构成。

图9振荡电路中在rs=r的条件下，振荡周期的估算式为。

t≈1.8rc

即有。1.8rc=4s

取c=0.1f，则r取22mω。

由于mc14533在高电平清零时，位选择输出端都ds1~ds3为1，将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过cr和rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。

这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会察觉到有消隐现象。

五、安装与调试。

1．按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路，如图。

2．调试时先检测电源，正常后再检测多谐振荡电路和示波器电路，接着检查控制电路，然后是c-t转换电路，最后是计数和显示译码电路。

3．在cx处接入nf级校准电容，调节r2，使数码管显示的读数与校准电容的容量一致。

4．接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果。再借入若干标称值不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容计的工作情况。

六、有关简易数字电容计的思考题。

1、数字万用表中检测电容的工作原理。

电容检测时，利用万用表能直观准确地读出电容阻值。数字万用表有两大部分电路组成：数模转换电路与电容检测电路。

数字万用表一般都有专用集成块，中低档万用表常用集成块l7106制成，只要完成将模拟量转换成数字量，其内部为积分型a/d转换器，用来将被测的模拟电压转换成四位bcd数字吗，相应的七段数码管和各段电平的a~g同时输出，驱动液晶数码管显示出被测电压。电容测量电路的作用是：依据被测电容容量产生一个模拟电压，容量大则产生电压值高，容值量小则产生电压值小。

测量电容时，此电压送入模数转换电路经模数变换得出被测电容容量值。

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