××大学。××学院。
名称：简易数显式电容计的设计。
专业：电气信息类。
班级：××班。
姓名：××学号：××
年×月×日。
一)设计任务和要求。
1， 测量范围1-999nf。
2，用三位led数码管显示测量结果。
3，具有超量程指示。
4，能自动的进行连续测量。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)mc14553（三位bcd计数器）、ne555定时器、cd4511（bcd七段显示译码器）、cd4001（四输入或非门）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)数电实验箱（提供直流稳压电源）
5)调试用标准电容。
二) 简易数显式电容计的组成和工作原理。
图3-1 简易数显式电容计的组成框图。
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。简易数显式电容计的框图如图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期间计数器的脉冲数就多，代表cx就大。只要调整好振荡频率，就可以使计到的脉冲数（用十进制表示）就是被电容的nf数。
3．计数器是三位十进制的计数器。
4．显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数字显示出来。
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．控制电路的作用是控制各部分电路正常工作的时序信号。如果用下降沿触发单稳态电路，用上升沿使计数清零和超量程指示电路复位，测量过程的时序如图3-2所示：
7．设计时采用cmos电路，电源电压+5v
图3-2 数字式电容计测量过程时序图。
三） 单元电路的设计。
1．c-t转换电路的设计。
在单稳态触发器中，定时器与电容成正比，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图3-3、波形如图3-4所示。图中tx=1.1rc。
图3-3 c-t转换电路。
图3-4 c-t转换波形图。
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v11de 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tx,的时间为0.1ms-0.1s, 即取r=91k.
2.多谐**器的设计。
多谐**器也用555定时器构成，电路如图3-5。
图3-5 多谐振荡器。
多谐**器的振荡周期为：t=0.7(r1+2r2)。
在tx内计数器计到的脉冲数 n=tx/ts
即有：n=1.1rcvx/t
根据设计要求，n就是被测电容cx的nf数，则有。
t=1.1*91*10e310e-9≈10e-4s
也就是说振荡器振荡频率约为10khz。
根据振荡器周期的计算公式，先取c=0.01uf。那么r1+2r2=14.
3kω，取r1=6.8 kω，则r2应为3.75 kω。
可以用4.7 kω的电位器作为r2来调整电容的测量精度。
3．计数电路的设计。
1）计数电路的选用。
计数器采用mc14553，mc14553是三位bcd加法计数器，集成电路的引脚排列图和功能表如图3-6和表3-1所示。
图3-6 mc14533引脚图。
表3-1 mc14533功能表。
2）计数器电路的连接。
根据c-t转换电路在在转换期间的输出是高电平，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段，计数脉冲从 ind端引入。
4.显示译码电路的设计。
1）显示译码器的使用。
显示译码器选用cd4511,cd4511是bcd七段锁存/译码/驱动器，其引脚排列图和功能表如图3-7和表3-2所示。
图3-7 cd4511引脚图。
锁存是显示的字取决与在le端由0到1是输入端bcd码的状态。
表3-2cd4511功能表。
cd4511具有内部抑制非bcd码输入的电路，当输入为非bcd码时，译码器的七端输出全为‘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’电平锁存。
mc14511每段的输出驱动电流可达25ma，因此在驱动led数码管要加限流电阻。
(2)显示译码电路。
计数和译码显示电路如图3-8所示，其中显示译码电路为扫描显示电路（也成为动态显示电路）。扫描显示的基本原理是利用人眼的视觉惰性和发光二极管的余辉效应。图3-8中，在mc14533输出个位bcd码时，ds1=0，个位的数码管在v1的驱动下，显示个位的数字。
在这期间ds2与ds3均为1，v2、v3截至，十位和百位的数码管没有显示。接着，输出十位的bcd时，ds2=0，只显示十位的数字。然后，当ds3=0时，显示百位的数字，接着，再显示个位数字……，就这样有周期性的扫描。
当扫描频率较高时，我们看到的是三位稳定的显示数字。注意：在该电路中，由c1决定扫描频率，故c1不能取得太大，不然数码管的显示会出现闪烁。
图3-8 计数和显示译码器电路。
(3)限流电阻的选取。
显示译码电路中的限流电阻，三极管的基极电阻和三极管的计算与选择可按下图的方法进行。设图中的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
三极管的β=10/0.5=20。
图3-9 译码电路元器件参数计算示意图。
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。
这样，可算得r=133ω，取133ω，rb为1kω，β15*7/1.3~=80，在这里，选用的三极管的β值要大于80，icm要大于105ma。
5.超量程指示电路的设计。
超量程指示电路如图3-10所示。图中由或非门构成的是一个基本rs触发器。当mc14553在计数到1000个脉冲时，“of”端会输出一个正脉冲，rs触发器q置1，led亮，表示被测电容已超过999nf，这时的显示器读书已不在是被测电容的容量。
在复位信号的作用下，q端置0，等待下一次测量。
图3-10 超量程指示电路。
6.控制电路的设计。
根据数字式电容的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，他的精度和稳定要求不高。因此，可用图3-11所示电路来构成。
图3-11 控制电路。
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=0.1uf，则r取22mω。
由于mc14553，在高电平清零时，位选择输出端ds1~ds3都为1，将使显示器消隐，如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象，控制电路正通过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，就不会觉察到消隐现象。
四） 安装与调试。
1.按照设计好的电路图，在面包板上连接好电路。
2.在调试时，可以借助超量程指示电路，对各部分电路进行检查。
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读数一致。
4.接上若干称值在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容的工作情况。
附图：简易数显式电容计电路图。
五）实验心得。
通过对课程设计的学习，对简易数显式电容计的组成有了一定的了解，在理解掌握各个基本组成单元的功能后，开始设计其基本原理图。
在联接电路的时候，要非常注意各个元器件在面包板的位置，尽量避免出现飞线。由于管脚多，尤其要注意各管脚是如何联接的。调试时，首先对各基本组成单元进行调试，然后在整体调试，当显示数字为470左右时，调试完毕。
总结此次设计的全部过程，认识到要做好课程设计最重要的还是首先搞清楚原理机制，才能思路清晰地一步步往下做，切忌一开始就胡乱地接电路或是拷贝他人的。但总的来说，多动手才能更好地培养这方面能力，从中也能学到书本上学不到的知识技能。
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