电阻电容综合参数测试仪.docx
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电阻电容综合参数测试仪
电子技术课程设计
论文
学校名称:
青岛大学
学院名称:
自动化工程学院
专业班级:
电气3班
学号:
2
姓名:
王少真
2009年9月26日
一、设计和实验题目
电阻、电容综合参数测试仪
二、内容摘要
根据数字电子、模拟电子电路的设计、安装和调试方法,设计波形发生电路,数据选择电路,计数锁存电路,驱动译码显示电路四个单元模块。
其中以555定时器与RC相连构成多谐振荡器,产生三种不同频率的波形;以74LS90构成十进制计加法数器,用于计数脉冲的个数;以74LS194构成四位锁存器,通过锁存将计数值送至数码管显示;用CD4511构成数码管驱动译码电路,以驱动数码管显示;另外单刀双掷开关实现数据选择和译码显示功能,用手动控制。
根据各个不同功能的模块设计单元电路,在然后单元电路的基础上设计测量电阻、电容综合参数的测试仪,最后在计算机上用multisim模拟仿真,优化设计方案,再进行组装调试,测试相关性能指标,从而测出电阻电容的值。
三、设计任务与要求
(1)设计一个能在一定范围内能测量电阻、电容参数的电路;
(2)用数码管实时显示R或C的参数;
(3)用中、小规模集成电路(双列直插式)组件和阻容元件实现所选定的电路;
(4)在计算机上用multisim仿真优化;
(5)在面包板上安装、调试;
(6)写出设计总结报告。
四、主要技术指标
(1)测量范围:
R:
10kΩ~1MΩ;C:
10nF~1μF
(2)测试精度:
±10%;
(3)由数码管实时显示测试结果;
(4)分别用两种指示灯指示测试元件类型。
五、使用的主要仪器和仪表
1、仪器和器材
1)计算机1台2)直流稳压电源1台
3)示波器1台4)万用表1台
5)函数信号发生器1台6)面包板1套
7)剥线钳等工具1套
2、器件清单
1)集成芯片:
LM324、555定时器、74LS90、74LS194、CD4511;
2)共阴七段数码显示管(10脚);
3)6V稳压管、二极管;
4)电位器:
1k、10k、100k、1M;
5)无极性电容:
10nF、100nF;
6)定值电阻器若干。
六、设计思路与原理电路
1、设计思路
利用多谐振荡器所产生的波形,可以把被测电阻和电容的大小转换成基准波的个数,即控制脉冲宽度Tx严格与Rx和Cx成正比;
根据公式:
T=(R1+2R2)Cln2
可知,当待测电阻Rx比电阻R1大的多而电容C不变时,Rx与周期T成正比;当R1和R2都固定不变时,待测电容Cx与周期也成正比。
故只要把此脉冲与频率固定不变的方波即基准脉冲相与,便可得到计数脉冲;设:
T0为基准脉冲的周期,即T0=(R5+2R6)Cln2;
T1为测电阻Rx脉冲的周期,即T1=(R1+2Rx)Cln2;
T2为测电容Cx脉冲的周期,即T2=(R3+2R4)Cxln2;
而,计数时间则由待测元件的脉冲控制,由于74LS194是上升沿有效的,故只计数在高电平时的半个周期内基准脉冲的个数;由多谐振荡器的占空比公式:
q=
当R1很小可忽略时,显然q近似等于50%,因此每次计数都是计半个周期内基准脉冲的个数。
则,待测元件产生的脉冲与基准脉冲相与可得:
=2N1或
=2N2
其中,N1、N2都是计数脉冲的个数。
然后把计数脉冲送给计数器计数,然后经锁存电路、译码电路,最后驱动显示管显示。
合理设置基准脉冲的参数与单位,使数字显示器显示的数字N便是Rx和Cx的大小。
2、系统框图
3、单元电路的功能与指标
1)波形发生电路
由555定时器与RC相连构成多谐振荡器,其功能是产生三种不同频率的波形,基本原理图与输出波形图为:
多谐振荡器的电路图多谐振荡器的输出波形图
触发信号由电容器的充放电来提供。
所以,电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。
充电回路是RA、RB和C。
此时相当输入是低电平,输出是高电平;当电容器充电达到2vcc/3时,即输入达到高电平时,电路的状态发生变化,输出变为低电平,电容器开始放电。
当电容器放电达到vcc/3时,电路的状态又开始变化,如此循环。
电容器之所以能够放电,是由于放电端7脚的作用,因7脚的状态与输出端一致,7脚为低电平电容器放电。
2)计数器电路
用74LS90构成十进制计数器。
注意:
清0方式与控制。
74LS90为中规模TTL集成计数器,可实现二分频、五分频和十分频等功能,它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。
其引脚排列图和功能表如下所示:
74LS90的功能表
为了精确需显示每一位,因此需要4个十进制加法计数器,这里选用4片74LS90级联起来构成所需的计数器。
因为74LS90的异步清零端为高电平有效,因此,用控制脉冲的上升沿触发。
将74LS90的1号引脚clk1与12号引脚Q0相连,构成十进制计数器;11号引脚Q3作为进位信号接到高位的时钟信号端(即高位的14号引脚clk0)。
其电路图为:
计数器的电路图
3)锁存器电路
用4个74LS194构成四位锁存器。
功能:
锁存,送数。
若将计数器输出直接接译码显示,则显示器上的数字就会随计数器的状态不停的变化,只有在计数器停止计数时,显示器上的显示数字才能稳定显示最终测量结果,所以需要在计数和译码电路之间设置锁存电路。
锁存器选用4片4位锁存器74LS194,其工作状态也由控制器控制。
74LS194的引脚图锁存器的电路图
4)驱动译码电路
译码器选用4片CD4511,功能:
驱动4个共阴七段数码显示。
特点:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码与驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚图LED引脚图
CD4511驱动译码电路图
5)数据选择
用单刀双掷开关手动控制,功能:
通过接红绿灯来指示被测量是电容还是电阻。
4、参数计算
1)电阻参数计算
根据公式:
=2N1,T0=(R5+2R6)Cln2,T1=(R1+2Rx)Cln2;
有
=2N1,令R5=R6=330Ω,则R5+2R6≈1kΩ,C=10nF,R1=100Ω大小可忽略不计;则有
Rx=N1*kΩ
2)电容参数计算
基于电阻参数的计算,根据公式:
=2N2,T2=(R3+2R4)Cxln2;
有
=2N2,令R3=100Ω大小可忽略不计,R4=10kΩ,即R3+2R4≈20kΩ,C=10nF;则有
Cx=N2*nF
此时,通过数码管显示的数值就是所测电阻或者电容的大小,单位分别是kΩ和nF。
5、完整电路
按照上述电路在面包板上安装、连线、调试,电源为+5V直流电,注意共地线;数码管要接保护电阻,否则容易烧坏;每个集成块都有电源端和接地端;对于不用的引脚要做相应的处理;手动控制开关选择测试元件的类型;最下面3个多谐振荡器中,左边为测电阻脉冲发生器,中间为测电容脉冲发生器,右边的作为基准脉冲发生器;往上4个74LS90级联构成的四位十进制加法计数器;再往上是4个74LS194级联构成的四位锁存器;接下来是4个CD4511级联构成的数码管译码驱动电路,用于驱动数码管显示所测数据;最上面是4个共阴七段数码显示管,在驱动电路的作用下显示数值。
七、组装调试
1、使用的主要仪器、仪表
1)计算机,用于前期仿真,以优化设计方案;
2)直流稳压电源,为电路供电;
3)示波器,用于观察波形,读取周期和频率,检查电路故障;
4)万用表,用于测量一般元件的参数,如电压、电流、电阻、电容等;
2、调试电路的方法和技巧
边安装边调试。
把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路,分别进行安装和调试,在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围,最后完成整机调试。
调试时应注意做好调试记录,准确记录电路各部分的测试数据和波形,以便于分析和运行时参考和撰写设计报告。
(1)通电前检查
电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路,器件有无接错。
(2)通电检查
接入电路所要求的电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。
如果出现异常现象,则应立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。
(3)单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求,按调试要求测试性能指标和观察波形。
调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机联调创造条件。
(4)整机联调
整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系,主要观察动态结果,检查电路的性能和参数,分析测量的数据和波形是否符合设计要求,对发现的故障和问题与时采取处理措施。
3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析
1)仿真测试数据:
1
2
3
4
5
6
实际电阻
1k
5k
10k
20k
50k
100k
测量电阻
1k
5k
9.4k
19.6k
47k
97k
误差比
0
0
6%
2%
6%
3%
实际电容
10nf
15nf
47nf
100nf
200nf
500nf
测量电容
10nf
14.5nf
45.4nf
98.8nf
197.6nf
493.4nf
误差比
0
3%
3.4%
1.2%
1.2%
1.32%
2)电路测试数据:
1
2
3
标准电阻
10k
47k
100k
测量电阻
9.2k
45.5k
98.6k
误差比
8%
3.19%
1.4%
标准电容
10nf
100nf
1uf
测量电容
9.2nf
91.6nf
975nf
误差比
8%
8.4%
2.5%
4、调试中出现的故障、原因与排除方法
1)电路不通,首先按照仿真电路图认真仔细检查电路,发现有多处接线错误,改正后重新测试,仍然不通,万用表测端点电压,发现某些引脚没有电压,重新检查线路或者更换元件,直至通为止。
2)没有输出波形,检查555定时器的连线,电源和共地以与电阻电容的选择或者更换555定时器。
3)数码管显示不全或不亮,检查数码管的连线,是否接有保护电阻,电源线和接地线是否接错,检查驱动电路是否有问题,将驱动电路所不用的引脚接地,防止干扰。
八、总结设计电路和方案的优缺点,指出课题的核心与实用价值,提出改进意见和展望。
优点:
在误差允许的范围内基本上实现了电阻电容参数的测试,电路简单易懂,成本低功耗低,容易实现,所采用元器件的品种少、体积小且货源充足;便于生产、测试和维修。
缺点:
误差有些偏大,不能测量太大或太小的电阻和电容,电路性能不稳定,且存在大量的干扰。
核心与实用价值:
主要深化所学理论知识,培养综合运用能力,增强独立分析与解决问题的能力。
训练培养严肃认真的工作作风和科学态度,为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。
改进和展望:
改变参数以提高精确度和测量范围,减少干扰。
九、所需元件
1)集成芯片:
555定时器3个74LS904个
74LS1944个CD4511;4个
2)共阴七段数码显示管(10脚)4个
3)单刀双掷开关1个
4)定值电阻:
100Ω2个330Ω2个
1k4个10k1个
10k~500k不等(作为待测电阻)
5)无极性电容:
10nF6个1、100nF各一个(作为待测电容)
十、收获、体会
通过此次实验综合运用所学各科知识,涉与数字电子电路、模拟电子电路、电路与电子线路实验等的相关知识,综合性较强,结合所学知识设计出满足特定要求的电路。
它不同于我们习惯的分析电路,即根据电路结构和参数分析得到电路所实现的功能。
设计性实验对于我们运用所学的知识要求较高,因此在准备实验的过程中就复习了所需的基础知识;设计性实验需要预先根据要求确定所用电路和器件,因此要熟悉掌握各种典型电路的设计、功能和各种元器件的原理、功能等等;然后依照电路图将各模块联系起来,注意连接过程中元件的排布和布线,尽量使之匀称、美观;最后计算参数,确定参数是要多方面考虑每一个参数的改变所造成的影响,要有整体把握、综合考虑的眼光。
根据调试过程中所发现的问题:
第一,接线错误,是由于粗心造成的,因此必须要有严谨认真的科学态度;第二,调试输出波形,要保证电路的正确,了解各种器件的功能,明显感觉自己所学不扎实;第三,对于不用的引脚要作处理,数码管显示不全,是因为驱动电路存在干扰,因此要综合考虑,整体把握;第四,发现仿真结果时与所测结果差别很大,经过多组测试发现数量级出现了问题,对参数的数量级进行修正后仿真结果正确。
设计性实验要求一定要有严谨认真的态度,任何一个细节都决定着实验的成败。
通过此次实验也让我们认识了自己学习上的不足,对集成器件的功能与各管脚特性的掌握不够扎实,对multisim软件使用不够熟练,没能设计出最优化方案,布线不够合理,造成疏密不一,由于水平所限,结果会有一定的误差。
不过通过此次实验深化并运用所学理论知识,提高动手能力和设计能力,培养综合运用能力,增强独立分析与解决问题的能力。
训练培养严肃认真的工作作风和科学态度,为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。
十一、参考文献
1)“模拟电子技术基础”清华大学华成英主编
2)“数字电子技术基础”清华大学阎石主编
3)“电子技术基础”康华光主编
4)“现代电子线路和技术实验简明教程”孙肖子主编
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- 电阻 电容 综合 参数 测试仪