简易数显示电容计的设计
一、设计任务和要求„„„„„„„„„（3）
二、简易数显式电容计组成及工作原理„(3)
三、单元电路的设计„„„„„„„„„(4)
四、安装与调试 „„„„„„„„„„(14)
五、心得体会 „„„„„„„„„„„(14)
（一） 设计任务和要求
1. 测量范围为1—999nF。
2. 用三位LED数码管显示测量结果。 3. 具有超量程指示
4. 能自动的进行连续测量。测量周期为4秒，测量结果保持2秒左右。 5. 提供的主要器材：
（1） NE556定时器（双定时器），MC14553（三位BCD计数），CD4511（BCD七段
显示译码器），CD4001（四2输入或非门）各一块。
（2） 共阴结构LED数码管，三极管，二极管，阻容原件等。 （3） 面包板，导线等。 （4） 直流稳压电源。 （5） 调试用标准电容。
（二） 简易数显式电容计的组成和工作原理
C
B
A
图1 简易数显式电容计的组成框图
振荡器 显示译 码 器 计数器 C-T 转换电路 超量程 指示电路 控制电路 数显式电容计具有测量速度快，读数方便等优点，正在逐步取代传统的电容测量方法。简易数显式电容计的框图如图1所示，它由C—T转换电路，振荡器，控制电路，译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。
1.C—T转换电路的作用是把被测电容的电容量CX转换成脉冲信号，使脉冲信号的宽度TX正比于CX。单稳态触发器有定时时间正比于定时电容C的关系，因此可以用单稳态触发器实现此功能。
2.振荡器产生矩形脉冲，让计数器在C—T转换期间计数。如果CX大，则TX
大，那么在TX期间计数器的脉冲数就多，而计到的脉冲数多，代表CX就大。只要调整好振荡器的震荡频率，就可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的nF数。
3.计数器是三位十进制计数器。
4.显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数字显示出来。 5.超量程指示电路的作用是当计数器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nF，此时显示器的读数已不是CX的值。
6.控制电路的作用是用来产生控制各部分电路真长工作的时序信号。如果用下降沿触发单稳态电路，用上升沿使计数清零和超量程指示电路复位，测量过程的时序图。
6. 设计时采用CMOS集成电路，电源电压用+6V。
（三） 单元电路设计
1.C—T转换电路的设计
在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用555定时器构成的单稳态触发器中，有tW=1.1RC 式中R和C为定时电阻，电容。
因此，在这里C—T转换电路采用单稳态触发器。用555定时器构成的单稳态电路如图3所示，波形见图4.途中TX=1.1RCX。
VCC5VVCCR11k¦¸5%1A1VCCRSTDISTHROUT3TRICONCx1uF 00C110nF2GND555_VIRTUAL0
图3 C—T转换电路
VI1 0
VI2
VDD 0
V01 TX T X 0
图4 C—T转换波形图
t t
t
在电路中加入了由Cr和Rr和组成的微分电路，这样单稳态电路只要靠输入V11的下降沿触发，定时时间与V11的低电平宽度无关。
考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内TX的时间为0.1ms—0.1s，即取R=91KΩ。
2.多谐振荡器也用555定时器构成，电路如图5所示。
图5 多谐振荡器
多谐振荡器的震荡周期为：T=0.7（R1+R2）C，在TX内计数器计到的脉冲数N=TX/T,即有：
N=1.1RCX/T
根据设计要求，N就是被测电容CX的nF数，则有:
T=1.1*91*103*10-9≈10-4s
也就是说振荡器的震荡频率约为10kHz
根据振荡器周期的计算公式，先取C=0.01uF。那么R1+2R2=14.3KΩ,取R1=6.8kΩ,则R2应为3.75kΩ。可以用4.7kΩ的电位器作为R2来调整电容计的测量精度。
3.计数电路的设计 （1）计数器的选用
计数器采用MC14553。MC14553是三位BCD加法计数器，集成电路的引脚排列图和功能表如图6和表1所示。
图6 MC14553引脚图
表1 MC14553功能表
（2）MC14553功能说明
MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器、三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路，以及用于显示控制的数据选择输出DS1、DS2、DS3组成。
图7中振荡器提供多路数据选择器的低频扫描时钟脉冲，震荡企的震荡频率取
决于连接在引出端③和④之间的外接电容C1的大小，如需外部时钟，也可以从引出端④处引出。振荡器产生的扫描时钟信号与三个位选择输出信号的时序关系见图8所示。
开始 振荡 OSC DS1 DS2 DS3 BCD
输出 个位 十位 百位 个位 十位 百位 个位 十位 百位
图8扫描时钟信号与位选择信号的时序关系
在复位端“R”上施加“1”电平是，复位信号同时作用于BCD计数器、振荡器和多路扫描电路，使得扫描电路处于初始状态，扫描振荡器禁止震荡，同时置多有的三个位选择输出DS1~DS3为“1”电平，从而不允许显示。
当时钟禁止端“1NH”为“1”时，禁止时钟脉冲“CL”输入BCD计数器，计数器保存禁止前的最后计数状态。输入端的脉冲整形电路允许输入上升时间或下降时间很缓慢的信号输入计数器并能可靠的工作。
当锁存器的锁存允许端“LE”为“1”时，锁存器呈锁存状态，保持原有锁存器内的信息。这时BCD计数器即使施加复位信号，锁存器仍然保持原有信息。若需将锁存器内的信息清楚锁存器“LE”端加“0”电平。
MC14553电路还提供了一个溢出输出端“OF”，计数器没逢输入第1000个时钟脉冲的上升沿时，溢出端“OF”输出一个完整的脉冲。该脉冲结束于上述条件下输入时钟的下降沿。 （3）计数器电路的连接
根据C—T转换电路在转换期间的输出是高电平，以及要用来控制计数器计数。可从表3—1中有灰色的三行中看出，将C—T转换电路的输出加到“CL”端，计数脉冲从“1NH”端引入。计数器其他电路的连接电路如图3—10所示。 4.显示译码器电路的设计
（1）显示译码的选用
显示译码器选用CD4511。CD4511是BCD七段锁存/译码器/驱动器，其引脚排序图和功能表如图9和表2所示。
图9 CD4511引脚图
表2 CD4511功能表
锁存时显示的字取决于在LE端由0→1时输入端的BCD码状态
CD4511具有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非BCD码时，译码器的七个输出端全为“0”电平，显示器暗（又称为消隐）。
在MC14511的输入端有四位锁存器，LE为选通端。当LE为“0”电平是允许BCD码输入，当LE为“1”电平时多存。
MC14511每段的输出驱动电流可达25mA，因此在驱动LED数码器时要加限流电阻。
(2)显示译码电路。
技术和译码显示电路如图10所示，其中显示译码电路为扫描显示电路（也称为动态显示电路）。扫描显示的基本原理是利用人眼的视觉懒惰性和发光二极管的余晖效应。在图10中，在MC14552S输出的BCD码时，DS1=0,个位的数码管在V1的驱动下，显示各位说的数字，在这期间DS2与DS3均为1，V2,V3截止。十位和百位的数码管上没有显示。接着，输入十位的BCD时，，DS2=0，只显示十位的数字。然后当DS3=0时显示百位的数字。。。。。。，就这样有周期性的扫描。当
扫描频率较高时，我们看到的是三位稳定的显示数字，在该电路中，由C1决定扫描的频率，故C1不能去的太大，不然数码管的显示会出现闪烁。 （3）限流电阻的选择
显示译码电路中的限流电阻，三极管的基极电阻和三极管的计算与选择可按图3—11所示的方法经行，设图中的三极管V工作在放大区，丨Vce丨=2V，则 R=（6-2-2）/10 = 200Ω Rb=（2—0.7）/0.5 =2.6KΩ
三极管的β=10/0.5=20
图11译码电路元器件参数计算示意图
实际的显示译码电路中，一个三季度要驱动一直数码管，既要驱动七只发光二极管，而且在扫描现实中，数码管的每一段电流要打一些。设每一段电流要大一些，设每段电流为15mA,基极 电流MC14553的输出驱动电流，设为1.3mA.这样，可算得R=133Ω，取130Ω。Rb=1KΩ。B=15*7/1.3=80，在这里，选用的三极管的β值要大于80 Icm大于105mA.
5.超量程指示电路的设计
超量程指示电路如图12所示，图中由或非门构成的一个基本的RS触发器，当MC14553 在计数到1000个秒冲，OF端会输出一个正脉冲，RS触发器Q置1,LED亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示器都市已不再是被测电容的容
量，在复位信号的作用下Q端0，等待下一次测
12超量程指示电路
6．控制电路的设计。
根据数字式电容社的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4S，它的精度和稳定度要求不高。因此，可用图13所示的电路来构成
图13控制电路
振荡电路中在Rs=R的条件下，振荡周期的估算为
T≈1.8RC 既有
1.8RC=4s 取C=0.1uF，则R取22MΩ
由于MC14553在高电平清零时，为选择输出端DS1—DS3都为1，将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间较长，会看到消隐现象，为避免出现这种现象，控制电路通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器消零端。这样，计数器只是靠清零信号上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会觉察到有消隐现象。
四．安装与调试
1．按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路
2．在调试时，可以借助超量程指示电路，对各部分电路进行检查
3．在Cx处接入nF级校准电容，调节R2，是数码管现实的读书与校准电容的容量一直。
4．接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果。在接入入干标称值不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容计的工作情况
五．心得体会
我在这一次简易数显式电容计的设计过程中，很是受益匪浅。通过自己在大学一年多的时间里所学的知识的回顾，并发挥对所学知识的理解和思考及书面表达能力，自己亲手设计，最终完成目标了，者为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验，把知识转化为能力的实际训练，培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，555,4001等。同时也发现自己对数电知识掌握得不够。由此可见，只有理论水平提高了，才能将课本知识与实践相结合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个课程设计十分有意义，我从中得知了很多书本上无法得知的知识，自己今后将会更加的把知识和实际应用结合起来，提高自己的能力。
通过这次课程设计让我对数显电路更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现书本上的知识与实际应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都欧是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，我们不得不考虑到这方面的问题，这让我们无法完全根据书上的理论就轻易得到预想终的结果，有时结果甚至差别很大。
我认识到：数电设计每一步都要细心认真，因为任何一步出错的话，都会导致后面的环节发生错误。在设计过程中遇到了一些问题，使得我查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。
