數(shù)字電容測(cè)量?jī)x.doc

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數(shù)字電容測(cè)量?jī)x 一． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1：掌握譯碼顯示的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 2：掌握數(shù)字電容測(cè)量?jī)x的方法 3：學(xué)習(xí)自動(dòng)量程的設(shè)計(jì)方法 4：學(xué)習(xí)使用555定時(shí)器及多諧振蕩器 二：設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求： 1：被測(cè)電容范圍為100pF到1uF 2：把電容量通過電路轉(zhuǎn)換為電壓量進(jìn)行測(cè)量 3：設(shè)計(jì)石英晶體振蕩器及分頻系統(tǒng) 4：可控制的計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、顯示系統(tǒng)。 發(fā)揮部分舉例： 1：測(cè)量電容范圍為1uF到1000uF 2：石英晶體振蕩器 3：）多諧振蕩器 三：使用儀器及元器件： 74LS04（1片），74LS90（4片），NE555（2片），74LS00（2片），74LS373（2片），74LS47（3片），8段共陽數(shù)碼管（3個(gè)），電平開關(guān)（1個(gè)），電阻若干，電容若干。 四：實(shí)驗(yàn)原理 1，總原理圖： 本設(shè)計(jì)是基于555定時(shí)器，連接構(gòu)成多諧振蕩器以及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器而測(cè)量電容的。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中所涉及的電容，即是被測(cè)量的電容。其脈沖輸入信號(hào)是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器所產(chǎn)生。信號(hào)的頻率可以根據(jù)所選的電阻，電容的參數(shù)而調(diào)節(jié)。這樣便可以定量的確定被測(cè)電容的容值范圍。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬是根據(jù)電容值的不同而不同的，所以脈寬即是對(duì)應(yīng)的電容值，其精確度可以達(dá)到0.1%。最后是輸出電壓的數(shù)字化，將輸入到47譯碼器中翻譯成BCD碼，輸入到LED數(shù)碼管中顯示出來。  利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容器充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即控制脈沖寬度 Tx嚴(yán)格 與 Cx成正比．只要把此脈沖與頻率固定不變的方波即時(shí)鐘脈沖相與，便可得到計(jì)數(shù)脈沖，把計(jì)數(shù)脈沖送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后再送給顯示器顯示 ．如果時(shí)鐘脈沖的頻率等參數(shù)合適，數(shù)字顯示器顯示的數(shù)字 N便是 Cx的大小。之所以選擇該方案是考慮到這個(gè)方案不僅設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，而且必要時(shí)還可以擴(kuò)展量程，更重要的是該方案設(shè)計(jì)出來的數(shù)字測(cè)試儀測(cè)量的結(jié)果比較精確。 2．單穩(wěn)態(tài)控制電路 控制器的主要功能是根據(jù)被測(cè)電容 Cx的容量大小形成與其成正比的控制脈沖寬度 Tx．圖2所示為單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖．該電路的工作原理如下：  單穩(wěn)態(tài)控制電路原理圖 當(dāng)被測(cè)電容 Cx接到電路中之后，只要按一下開關(guān) S，電源電壓Vcc 經(jīng)微分電路、和反向器，送給 555定時(shí)器的低電平觸發(fā)端2一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，其輸出端3由低電平變?yōu)楦唠娖剑摳唠娖娇刂婆c門使時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)．暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度為Tx=1.1RCx．然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到穩(wěn)態(tài)，其輸出端3變?yōu)榈碗娖剑瑥亩怄i與門，停止計(jì)數(shù)?？梢姡刂泼}沖寬度 Tx與RCx成正比．如果R固定不變，則計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)將與Cx的容量值成正比，可以達(dá)到測(cè)量電容的要求。 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器 這里選用由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘產(chǎn)生功能。電路原理圖及其輸出波形如圖 3所示。 但、 其波形如圖所示： 振蕩波形的周期為： 其中 ， 占空比為： 因?yàn)闀r(shí)鐘周期 是在忽略了555定時(shí)器6腳的輸入電流條件下得到的，而實(shí)際上 6腳有10的電流流入．因此，為了減小該電流的影響，應(yīng)使流過的電流最小值大于10。又因?yàn)橐?Cx =999時(shí)，Tx=2s，所以需要時(shí)鐘脈沖發(fā)生器在 2s內(nèi)產(chǎn)生 999脈沖．即時(shí)鐘脈沖周期應(yīng)為T=2ms．即： 如果選擇占空比q=0.6，即 q= =0.6 由此可求得： 取=0.1，則 ： = 11.43K =-5.713K． 取標(biāo)稱值：=5.6K，=12K． 最后還要根據(jù)所選電阻、的阻值，校算流過、的最小電流是否大于 10uA ．從圖可以看出，當(dāng)上電壓達(dá)到時(shí)，流過、的電流最小，為: =95uA 振蕩周期： 4． 計(jì)數(shù)和顯示電路 由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為1—999，因此需要采用 3個(gè)二——十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器．這里選用 3片74LS47級(jí)聯(lián)起來構(gòu)成所需的計(jì)數(shù)器．74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字，通過它來進(jìn)行解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的數(shù)字，從而簡(jiǎn)化了程序，節(jié)約了單片機(jī)的IO開銷。譯碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)的輸出的高、低電平信號(hào)。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、二--十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器。譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，表2.1列出了74LS47的真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。  5 地址鎖存器芯片74LS373 74ls373是常用的地址鎖存器芯片，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中為了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通常需要一塊74ls373芯片，鎖存端LE 由高變低時(shí)，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當(dāng)三態(tài)門使能信號(hào)OE為低電平時(shí)，三態(tài)門導(dǎo)通，允許Q0~Q7輸出，OE為高電平時(shí)，輸出懸空。當(dāng)74LS373用作地址鎖存器時(shí)，應(yīng)使OE為低電平，此時(shí)鎖存使能端C為高電平時(shí)，輸出Q0~Q7 狀態(tài)與輸入端D1~D7狀態(tài)相同；當(dāng)C發(fā)生負(fù)的跳變時(shí)，輸入端D0~D7 數(shù)據(jù)鎖入Q0~Q7。 6 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90 電路是由4 個(gè)主從觸發(fā)器和用作除2 計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)周期長(zhǎng)度為除5 的3 位2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器所用的附加選通所組成。有選通的零復(fù)位和置9 輸入。為了利用本計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度（十進(jìn)制），可將B 輸入同QA 輸出連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖可加到輸入A 上，此時(shí)輸出就如相應(yīng)的功能表上所要求的那樣。LS90 可以獲得對(duì)稱的十分頻計(jì)數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計(jì)數(shù)脈沖加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對(duì)稱的十分頻方波。 五：仿真結(jié)果 30uF的電容： 100nF的電容： 六：protel-DXP 電路設(shè)計(jì) 一：電路原理圖 二： 三： 四：  總結(jié)