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電容數(shù)字測量儀(一)
摘 要: 本設(shè)計(jì)介紹了CC40106、CT74LS47、CC4049、5G7555 芯片的性能極其特點(diǎn)，并闡明利用該芯片設(shè)計(jì)電容
數(shù)字測量儀的方法.該測量儀具有測量100pF~1µF范圍的電容，用三位數(shù)字顯示。為保證測量精度，對(duì)所測值
的最低位有四舍五入功能。
關(guān)鍵詞：電容；A/D轉(zhuǎn)換器；數(shù)字顯示器；計(jì)數(shù)器；譯碼器
中圖分類號(hào): TP216+.1
1、 數(shù)字測量基本工作原理概述
電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有重要影響。本課題就是用數(shù)字顯示的方式對(duì)電容進(jìn)行測量。電容測量的基本原理是：把電容通過電路轉(zhuǎn)換成電壓量，然后把電壓量經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量進(jìn)行顯示。
2、 方案的比較選擇
2.1 選擇總體方案
方案Ⅰ：如果三角波輸入給以被測電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)臈l件下，微分電路的輸出幅度與Cx成正比，再經(jīng)峰值檢測電路或精密整流及濾波電路，可以得到與Cx成正比的直流電壓Ux ，然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送給數(shù)字顯示器，便可實(shí)現(xiàn)所要求的函數(shù)關(guān)系。
（圖1）
方案Ⅱ：用下圖的框圖代替A/D轉(zhuǎn)換器，可得到第二種方案。圖中壓控振蕩器輸出矩形波，它的頻率fx與Ux 成正比，而Ux與被測電容Cx成正比，因而fx與Cx成正比。在計(jì)數(shù)控制時(shí)間Tc等參數(shù)合適的條件下，數(shù)碼管顯示器的數(shù)字N與Cx的大小可符合題中所要求的函數(shù)關(guān)系。
（圖2）
方案Ⅲ：如圖所示，利用單穩(wěn)態(tài)電路或電容充放電電路等可以把被測電容器的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬窄，即脈沖的寬度Tx與Cx成正比，只要把此脈沖與頻率固定的方波（標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖）相與，便得到計(jì)數(shù)脈沖，將它送給計(jì)數(shù)器，鎖存器，譯碼器和數(shù)字顯示器。如果標(biāo)準(zhǔn)脈沖的頻率等參數(shù)選擇合適，便可實(shí)現(xiàn)題中要求的函數(shù)關(guān)系式。
（圖3）
2.2 方案比較，做出初步選擇
方案Ⅰ采用了A/D轉(zhuǎn)換器，價(jià)格比較昂貴。方案Ⅱ比較復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。方案Ⅲ電路簡單，采用之。
2.3 可行性分析
經(jīng)分析可知上圖確實(shí)可行，其電容數(shù)字顯示測量電路的詳細(xì)框圖如下：
（圖4）
單元電路設(shè)計(jì)
3.1 低頻方波發(fā)生器
采用普通的CMOS反向器CC40106構(gòu)成，如圖所示。低頻方波發(fā)生器的振蕩周期應(yīng)選在1s左右。利用公式 R=R1=R2，T=1.8RC=1s左右估算各參數(shù)值。經(jīng)計(jì)算得C=0.15uF，R1=R2=3.6 KΩ.
（圖5）
3.2 標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器
采用LM324集成運(yùn)放，如圖所示，此圖中用R3和Rp串聯(lián)作為Ro外，R1、R2 和R應(yīng)滿足對(duì)稱平衡條件，即R1∥ R2 =R ，R4和R5起衰減作用，經(jīng)粗略計(jì)算得R1=R2=16.5KΩ R3+ R4 =8.28 KΩ R4 =2 KΩ R5=1 KΩ
（圖6）
3.3 單穩(wěn)態(tài)電路
采用集成5G7555定時(shí)器，如圖所示。其中取R=1 KΩ，C=0.01µF
（圖7）
計(jì)數(shù)器
計(jì)數(shù)器的最大容量為10000，千位，百位，十位，個(gè)位各用一個(gè)BCD碼計(jì)數(shù)器，高位
可選用一個(gè)D觸發(fā)器，選用CCA4518為該電路的千位，百位，十位，個(gè)位BCD碼計(jì)數(shù)器。
邏輯圖如下：
（圖8）
3.4.1 由CC4518的邏輯圖可知，將衰減后的標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)接到1CP端，而將詳細(xì)框圖中e點(diǎn)的計(jì)數(shù)器控制信號(hào)接至1EN端，從而省去詳細(xì)框圖中標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器之間的與門。
3.4.2 若從1EN端輸入計(jì)數(shù)脈沖，則CC4518的觸發(fā)器由計(jì)數(shù)脈沖的下降沿觸發(fā)。而當(dāng)個(gè)位計(jì)
數(shù)器為1001狀態(tài)時(shí)，它的1Q4 =1，若再來一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則1 Q4由1變?yōu)?，即出現(xiàn)下降沿，
因此1Q4 和2EN相連便可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)。同理，可將2Q4作為十位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端。
3.4.3 高位觸發(fā)器的接法。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，若十位計(jì)數(shù)器的2Q4 端在計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)下降沿，
高位觸發(fā)器的3Q1 端應(yīng)當(dāng)由0狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)。在3Q1 =1以后，若2Q4再出現(xiàn)下降沿，3Q1 應(yīng)
保持狀態(tài)不變，直至清零信號(hào)到來為止。選用D觸發(fā)器CT74LS74作為高位觸發(fā)器，它是由上升
沿觸發(fā)的，因此2Q4必須經(jīng)過反向后才能接到D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端。如圖所示，圖中D觸發(fā)器
的輸入端接詳細(xì)框圖中的e端，為了使計(jì)數(shù)器脈沖波形好，反向器采用了施密特反向器。
（圖9）
3.5 七段顯示譯碼器/驅(qū)動(dòng)器
BCD-七段顯示譯碼器/ 驅(qū)動(dòng)器CT74LS47的作用是將BCD計(jì)數(shù)器的輸出譯成LED數(shù)碼管所需
的七段輸入形式。
3.6 超量程判斷及顯示電路
所謂超量程是指Cx超過1µF或Cx被短路量程判斷及顯示電路如圖所示：
（圖10）
3.7 清零單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：計(jì)數(shù)器CC4518所需的清零信號(hào)波形的脈沖寬度tw的要求是：
3.7.1 tw應(yīng)比CC4518清零端的延遲時(shí)間大的多，以保證能夠有效清零。
3.7.2 tw應(yīng)比時(shí)鐘周期Tcp小的多，以免引起不該有的誤差。
3.7.3 經(jīng)計(jì)算其所需脈沖寬度tw=30µS，由于對(duì)tw的要求不高，可選用單穩(wěn)態(tài)電路如下圖所示，輸出脈沖按下，試估算：tw=0.7RC，把tw=30µs帶入，得RC=42.8µs。因此，取C=1000pF，R=43 KΩ，R’為限流保護(hù)電阻，它的阻值可在10~100 KΩ范圍內(nèi)選擇。
4. 總體電路
根據(jù)之前所確定的框圖及設(shè)計(jì)的單元電路，可設(shè)計(jì)出總體電路圖。(附后).圖中的反相器A、
B、C、F、E和F合用一片CC4049，圖中的施密特反向器G、H、I、J、K和L合用一片CT74LS14,
圖中的與門M、N和O合用一片CT74LS74。高位觸發(fā)器和超量程判斷短路選用雙D觸發(fā)器，共用
兩片CT74LS74。
集成運(yùn)放A用一片LM324，+15V單電源供電，其余器件均用+5V電源供電。圖中的R23和C13起
延遲作用，其目的是為了清零時(shí)高位觸發(fā)器的D端（圖中的D3）為低電平，這樣即使在清零時(shí)，十
位計(jì)數(shù)器的2Q4端出現(xiàn)下降沿，高位觸發(fā)器也不會(huì)翻成1狀態(tài)（若翻成1狀態(tài)。則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的進(jìn)
位信號(hào)），從而保證發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)與題中相符。
5. 元器件清單
CC40106 一片 CT74LS47 四片
CC4049 一片 LM324 一片
CT74LS11 一片 共陽極七段顯示器 四片
5G7555 一片 二極管、電阻、電容、導(dǎo)線若干
CC4518 一片
6 .結(jié)束語
由于受客觀條件的影響，本次課程設(shè)計(jì)只能單純以書面的形式進(jìn)行，這使得實(shí)踐性大大打了折扣。但這并不會(huì)影響課程設(shè)計(jì)的順利完成。通過本次課程設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)了自己理論知識(shí)的不足，通過查閱大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，通過請教同學(xué)和老師，還是學(xué)到了許多全新的知識(shí)，無論是在對(duì)具體的元器件的認(rèn)識(shí)上還是對(duì)整體電路的把握上都有了不小的進(jìn)步！對(duì)本專業(yè)有了一個(gè)飛躍性的認(rèn)識(shí)。
由于我們所學(xué)的專業(yè)是涉及到電學(xué)的，而且基本的電學(xué)知識(shí)已經(jīng)和即將成為人們必備的技能之一，學(xué)好電學(xué)的意義已勿用多言。本次課程設(shè)計(jì)將會(huì)在很大程度上促進(jìn)后面的工作實(shí)踐，學(xué)為所用、團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)也將會(huì)更加突出。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們學(xué)以致用的開始和純理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)型的開端。總而言之，本次設(shè)計(jì)給了我很大的啟發(fā)和幫助。在設(shè)計(jì)中，通過查閱大量的圖書資料，咨詢指導(dǎo)老師和周圍的同學(xué)，最終我得到了比較滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。該測量儀可測量電容范圍為100PF—1uF。所測結(jié)果的顯示能力保持一段時(shí)間（5s）。
參考文獻(xiàn)
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Digital electric capacity measuring apparatus
Author: Yao Huolin Counselor: Wang Renyan
(Grade 2000 Physics Department of Shangrao Normal College,Shangrao Jiangxi 334001, China)
Have originally designed and introduced CC40106, CT74LS47, CC4049, performance characteristic extremely, 5G7555 of chip is it utilize chip this design electric capacity digital method of measuring apparatus to expound. This measuring apparatus has electric capacity of measuring this 1μF range of 100pF, use three persons of digital display. For guarantee precision of measuring, to minimum location of person who examine is it round up functions to have.
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