简易数字电容测量仪

——简易数字电容测量仪的设计

作品

设计题目：   简易数字电容测量仪

班级学号：                 

学生姓名：                      

一、预备知识

     关于数字式简易数字电容测试仪的设计，我们提出了三种设计方法和思路。在具体操作中，经过对资料的收集、分析，研究与对比，最终选择了简单易懂，而且精度较高的方法，即门控法。 

本方法的基本理论是单稳态触发器电路的输出脉宽wt与电容C成正比，再通过一系列的控制，计数，锁存，显示电路实现了对电容的一般测试与数字显示。在本次数电课程设计的同时，对于中大规模集成电路从认识到分析、再到整体框图设计、单元模块设计、最终到电路的模拟和实际电路的成形有了一定的认识，同时使我们在电子设计方面有了一定的实际动手能力，也为这次数电课程设计打下了坚实的基础。 

   数字电子课程设计是电子计数综合应用的实践环节，同时也是增强学生实践与动手能力，这也是教学环节的实践部分之一。本文设计的简易数字式电容测试仪，既融合了电子技术的基础知识，又与生产实际结合紧密，能够满足实验教学需要和科研开发应用的需要，同时，电路简洁，条理清晰，便于沟通和交流学习，具有较强的通用性和实用性。 

   在本次课程设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此特别向数子电子技术老师表示由衷的感谢。由于设计时间和水平的，如有不足之处，敬请指正

二、课程设计题目：简易数字电容测量仪

三、课程设计目的以及基本要求

目的：

1）利用给定的元器件设计一个能测量并显示电容容值大小的数字电容表；

（2） 用3位数码管显示；

（3） 测量范围100pF—105pF，误差小于10% 。

（4）在计算机上仿真优化。

（5）在万能板(孔孔板)上安装、调试。

基本要求：

1、利用给定的元器件设计一个能测量并显示电容容值大小的数字电容表；

2、用三位数码管显示

3、测量范围100pf-10000pf，误差小于10%。

4、在计算机上用仿真软件仿真优化。

5、在万用板上安装，调试。

四、设计内容提要以及说明

设计内容：

   (1)计数器。计数器主要用来对时钟进行计数并送入显示电路

显示。4518是双BCD码同步十进制计数器,每个计数器包含两个时

钟输入端:CP和EN。CP用于上升沿触发,要求EN=1；EN用于下降

沿触发,要求CP=0。CR是异步复位端,高电平有效,正常计数时

CR=0。这里,我们要测量的电容范围是0到999pF,需要三位十进制

计数器进行级联。其级联的方法是将低位的Q3端接高位的EN端,高

位计数器的CP端接地。其输出端Q3Q2Q1Q0输出8421BCD码,接显

示译码器的代码输入端。电路图比较简单,在这里就不再赘述了。

  (2)译码器电路。译码显示电路的设计比较简单,选用4511,该译码器

为B C D - 七段锁存/ 译码/ 驱动器, 其数据输入端接计数器

Q3Q2Q1Q0端输出的BCD码,译码器的输出端接共阴极七段半导体

数码显示器。

  （3） LED数码显示

LED数码管分为共阳极与共阴极两种,对于共阳极LED数码

管,将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极,接+5V电源。共

阴极LED数码管则与之相反,它是将发光二极管的阴极短接后作                     

设计说明：

    总体方案：本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的标准脉冲。同时待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲，转换的原理是单脉冲触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。用这个宽度的矩形脉冲作为阀门信号控制计数器计数，合理处理计数系统电路，可以使计数器的技术值即为被测电容的容值。或则把此脉冲作控制时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该技术脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。

共阴数码管：共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

图4-1共阴极数码管

Cd4518：CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。

CD4518引脚功能(管脚功能)如下：

1CP、2CP：时钟输入端。

1CR、2CR：清除端。

1EN、2EN：计数允许控制端。

1Q0～1Q3：计数器输出端。

2Q0～2Q3：计数器输出端。

Vdd：正电源。

Vss：地

图4-2 cd4518引脚图

   ne555：NE555 （Timer IC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位功能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

图4-3

ne555引脚图

图4-4     ne555外部图

  自锁开关：自锁开关，是一种常见的按钮开关。在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。

Cd4511：CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器。

     图4-5      cd4511引脚图

   Cd4093：cd4093是由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特处罚功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开，关，上升电压t与下降电压只差定义为滞后电压。

 图4-6    CD4093引脚图

以上都是构成简单电容测量仪的主要元器件，还有电阻，电容等

五、原理图以及原理

功能模块原理图

图5-1       简易电容测量仪原理图

图5-2 简易电容测量仪

模块工作原理说明

1、标准脉冲产生电路

标准脉冲发生器由ne555构成输出周期为T=（R2+R3)c1的基准脉冲产生电平，该数字电路电容表中间们信号的宽度等于控制脉冲的高电平时间，设置T=NT，那么闸门信号闸门内有多少个基准脉冲，电容值就多少，该标准脉冲周期为10uS。

2、清零与锁存脉冲产生电路

   当待测脉冲上升沿到达时，经过一个微分电路当作清零信号，再用两个反相器和一个微分电路产生锁存信号，从而实现清零和锁存信号的产生和分离。

六、 实验中涉及的实验仪器与工具

另外实验工具有

1、电烙铁

2、烙铁架

3、锡丝

4、松香

5、斜口钳

6、镊子

八、实验中的心得体会

    通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和pcb连接图，和芯片上的选择。这个方案总共使用了三个cd45112个cd4518,2个ne555，1个cd4093,3个共阴极数码管，2个自锁开关21个470电阻，2个1k电阻，13个10k电阻，1个1m电阻，2个精密可调电阻503,4个104瓷片电容，1个100uF电容。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

    平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

在制作pcb时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。

在画好原理图后的做pcb版时，由于项目组成员对单面板的不熟悉，导致布线后元件出现在另一边，增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记这个教训，使以后布线更加顺利。

经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

   生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了;我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋; 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

 同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

    对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!

九、参考文献

【1】康华光。电子技术基础：数字部分。4版。背景：高等教育出版社，2000

【2】郑家龙。集成电子技术基础教程。北京：高等教育出版社，2002

【3】路而红。专用集成电路设计与电子设计自动化。北京：清华大学出版社，2004