電容測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要:目前電子技術(shù)課程教學(xué)缺乏系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和實(shí)踐的訓(xùn)練，文章以電容測量儀為例，綜合模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，簡述了電路主要模塊的設(shè)計(jì)與搭建實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)，為電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的改革與創(chuàng)新提供一個(gè)參考。

關(guān)鍵詞:電子技術(shù);實(shí)踐;電容測量;調(diào)試

中圖分類號:TM932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0021-02

一、引言

電子技術(shù)基礎(chǔ)(包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù))是自動(dòng)控制、電子信息類專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程。模擬電子技術(shù)研究的是處理仿真信號的模擬電路，數(shù)字電子技術(shù)研究的是各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應(yīng)用。模擬電路以基本概念、方法為主;數(shù)字電路以電路功能、應(yīng)用為主。課程結(jié)合線性、非線性電路，概念抽象，邏輯關(guān)系復(fù)雜，有很大的學(xué)習(xí)難度。

在對學(xué)習(xí)電子技術(shù)的困難進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，特別是綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，能夠更深刻理解模擬電路與數(shù)字電路的基本理論知識(shí)并能夠提高相關(guān)技能。下面以電容測量儀的設(shè)計(jì)為例，探討電子線路的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。

二、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

綜合設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的綜合與提高，更是理論與實(shí)際的結(jié)合。“電容測量顯示儀”需要綜合運(yùn)用模擬電路與數(shù)字電路的知識(shí)，是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)類課題。

設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)一個(gè)可測量電容值的電路，測量范圍為1-20uF并能實(shí)現(xiàn)電容的測試與顯示，電源±5V。

題目分析:先將電容量通過電路轉(zhuǎn)換成電壓、時(shí)間等參量，然后再將這些量以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來。利用電容充電、放電的時(shí)間與容量值之間的關(guān)系，將容量值的測量轉(zhuǎn)化為電壓、電流的測量或者時(shí)間的測量，通過簡單量的測量間接求得電容量值。

設(shè)計(jì)思路:將電容量轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔，然后通過數(shù)字方式顯示出時(shí)間間隔(電容量)，由一個(gè)多諧振蕩器和一個(gè)單穩(wěn)態(tài)組成。當(dāng)R不變時(shí)改變電容C則輸出脈寬TW也隨之改變，由TW的脈寬就可求出電容的大小。TW的脈寬可通過與門轉(zhuǎn)化成若干標(biāo)準(zhǔn)脈沖，送給計(jì)數(shù)器計(jì)得TW的脈寬，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)脈沖選擇合理即脈沖寬度小于最小誤差并在合理范圍內(nèi)，譯碼驅(qū)動(dòng)電路顯示計(jì)數(shù)數(shù)值即電容值。

三、實(shí)驗(yàn)原理圖

根據(jù)設(shè)計(jì)框圖和設(shè)計(jì)要求，具體電路采用如下設(shè)計(jì)。

(一)脈沖源電路

利用555定時(shí)器組成多諧振蕩器，用作脈沖發(fā)生裝置。接通電源后，電容不斷充電、放電，輸出在高低電平之間不斷變換，產(chǎn)生一個(gè)方波作為計(jì)數(shù)脈沖。f不要太高常選200Hz，先令f=200Hz然后再調(diào)整其他元件參數(shù)。

(二)門控電路

利用555定時(shí)器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，把被測電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖與頻率固定的方波相與得到計(jì)數(shù)脈沖。定時(shí)器輸出穩(wěn)態(tài)脈沖寬度TW為目標(biāo)值，接入電容后，歸零裝置將觸發(fā)器置于穩(wěn)態(tài)，輸入脈沖使電路從穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間由TW和充放電容Cx決定，最后電路回到穩(wěn)態(tài)。

只要適當(dāng)調(diào)整阻抗參數(shù)，便可在一個(gè)VI周期內(nèi)輸出多個(gè)周期的VO進(jìn)行計(jì)數(shù)。令N=Cx得R4=4.3kΩ、R1=7.5kΩ、R2=30kΩ， =55.5%接近50%，f =211Hz接近200Hz。

(三)微分加法電路

主要為了提高精度，使觸發(fā)脈沖變窄從而減小誤差。先通過微分器求導(dǎo)，得到尖波(峰值±5V)然后通過加法電路抬高電位，這就得到符合實(shí)驗(yàn)條件的波形來充當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入的電壓，得到了比較合適的觸發(fā)信號。

選擇小電阻R9=0.2kΩ限制輸入電流，反饋電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓二極管限制輸出電壓，保證運(yùn)放始終工作在放大區(qū)，小電容C5=0.01uF與反饋電阻并聯(lián)以補(bǔ)償相位且滿足RC<<0.5T輸出為尖波。加法器部分采用電壓疊加使尖波波形上移，從而達(dá)到可以實(shí)現(xiàn)高低電平的目的。

(四)開關(guān)電路

采用帶正沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器74LS74和組合邏輯電路作開關(guān)電路，在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)時(shí)CLK邊沿觸發(fā)電路切斷單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)端的脈沖信號從而使暫穩(wěn)態(tài)只出現(xiàn)一次，實(shí)現(xiàn)單周期計(jì)數(shù)。在單穩(wěn)觸發(fā)器輸出脈沖波形的時(shí)間間隔里，單穩(wěn)輸入端的低電平信號消失不影響到輸出脈沖的寬度。74LS74是上升沿觸發(fā)的，摁下開關(guān)的瞬間清零單穩(wěn)輸出低電平，撒手后低電平信號單穩(wěn)觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，D輸出高電平，單穩(wěn)觸發(fā)信號消失。

按鍵開關(guān)的接地電阻的選擇是通過實(shí)驗(yàn)的方法確定的。R11=10Ω取的過大或過小都不行，不能限流或?qū)е碌碗娖竭^高而不能被IC正確的識(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果為110Ω(低電平為0.1V符合IC判別條件)。

(五)計(jì)數(shù)電路

多諧振蕩器輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖相與后得到一定周期數(shù)的信號，通過計(jì)數(shù)器計(jì)算周期個(gè)數(shù)N，然后通過譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)裝置最后通過七段數(shù)碼管顯示。選取CD40110和七段數(shù)共陰碼管實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、顯示功能。數(shù)碼管的外接電阻不能太大(影響實(shí)驗(yàn)效果)或太小(電流大燒壞芯片)最后取470Ω。

(六)設(shè)計(jì)小結(jié)

本設(shè)計(jì)不但要求有扎實(shí)的理論功底，還必須與工程實(shí)際結(jié)合。電路中許多參數(shù)的選擇和設(shè)定是依據(jù)實(shí)際的電路效果和元件的規(guī)格并非完全依據(jù)理論推導(dǎo)。通過這些練習(xí)可以很好地提高解決實(shí)際問題的能力。

四、電路搭建與調(diào)試

在面包板上實(shí)現(xiàn)電子線路，方便、簡易、可行，易于調(diào)試、修改線路。

電路的調(diào)試過程一般是從初級單元電路開始，逐級向后進(jìn)行測試、調(diào)整。

利用雙蹤示波器觀察各單元電路的輸出波形，先分塊調(diào)試后聯(lián)調(diào)的方法，按照信號傳輸?shù)捻樞驅(qū)Ω鲉卧娐愤M(jìn)行調(diào)試，使各個(gè)單元符合其基本指標(biāo)，最后進(jìn)行整體調(diào)試。具體調(diào)試步驟:①測試多諧振蕩器是否波形輸出。②用函數(shù)發(fā)生器提供方波輸入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器測試輸出端波形。③多諧振蕩器的波形輸入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器測試輸出波形。④測試觸發(fā)器各引腳的輸出波形(先清零)。⑤測試計(jì)數(shù)器各引腳的波形(先清零)。⑥觀察數(shù)碼管顯示。⑦換測試電容并重新觀測。

調(diào)試中面臨的最大問題就是鎖存問題，數(shù)字一直跳，每次鎖的數(shù)字不同，但是只要綜合分析定時(shí)器的輸出波形與鎖存周期就不難解決。

五、總結(jié)

綜合實(shí)驗(yàn)是對理論知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)的綜合應(yīng)用，是培養(yǎng)學(xué)生電子工程實(shí)踐能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過小型的綜合設(shè)計(jì)并搭建實(shí)際電路，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)的可操作性，在目前的教學(xué)情況下，是可行的方法之一，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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