测控电路课程设计数字电容测量仪一．1设计思路题目要求设计一个数字电容测量仪。

设计中采用两个555定时器分别构建多谐振荡器和单稳态触发器用于产生计数脉波和控制计数脉波，其中待测电容为单稳态电路中的外接电容，当单稳态产生的波形为高电平时计多谐产生的脉波个数即为电容数值。

计数部分由74LS160构建的三个十进制计数器构成，7448驱动共阴数码管显示计数值（即所测电容的值）。

2设计方案2.1测量部分的系统方案设计由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式为：f ≈121.43(2)R R C+，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。

再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容x C 构成单稳态触发器,并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号1o v 作为单稳态触发器的触发信号。

根据电容x C 的大小来调节占空比 1.1w x T RC ≈。

此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只需调节构成单稳态触发器的电阻的大小即可）。

2.2测量信号数字化系统方案选择利用译码器进行翻译。

将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED 数码显示管中，最后显示出对应的数据。

选择的译码器可以为7448译码器。

该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。

3设计原理框图（如图一）图一设计框图根据上图可知每个框图在设计中都是必不可少的，在电路中有着非常重要的作用：由555定时器构成的多谐振荡器可以产生一定周期的脉波，此脉波既作为单稳态触发器电路的输入脉波，也作为计数器的计数脉波。

由555定时器构成的单稳态触发器可以产生占空比一定的脉波，此脉波用来控制74LS160在高电平期间计数。

由74LS160构成的十进制计数器在控制信号作用下完成计数功能。

由7448构成的驱动器用来驱动数码管，将数值在数码管上显示出来。

二．单元电路的设计及原理1.1 电容值测量电路及原理1.1.1 多谐振荡器电路图及工作原理555定时器构成一个多多谐谐振荡器，其电路图如图二所示：图二定时器构成多谐振荡器多谐振荡器波形图其电路工作原理是：接通电源后，电容C 被充电，当c v 上升到23CC V 时，使o v 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C 通过2R 和T 放电，c v 下降。

当c v 下降到3CC V 时，o v 翻转为高电平。

电容器充放电所需时间为:22ln 20.7pL t R C R C =≈当放电结束时，T 截止，CC V 将通过1R 、2R 向电容器C 充电，c v 由3CC V 上升到23CC V 所需的时间为：1212()ln 20.7()pH t R R C R R C =+≈+ 当上升到23CC V 时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

其振荡频率为：121 1.43(2)pL pH f t t R R C =≈++ 1.1.2单稳态触发器电路图及工作原理555定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图三（a ）所示。

其简化电路如图三（b ）所示：图三（a ）555定时器构成单稳态触发器电路图三（b ）555定时器构成单稳态触发器的简化电路其工作原理是：没有触发信号时1v 处于高电平（1v ＞3CC V ），如果接通电源后Q=0o v =0，T 导通，电容通过放电三极管放电，使c v =0，o v 保持低电平不变。

如果电源接通后Q=1，放电三极管T 就会截止，电源通过电阻R 向电容x C 充电，当c v 上升到23CC V 时，由于R=0,S=1锁存器置0，o v 为低电平。

此时放电三极管T 导通，电容x C 放电，o v 保持低电平不变。

因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态o v =0。

若触发输入端施加触发信号（1v ＜3CC V ），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T 截止。

此后电容x C 充电，当x C 充电至c v =23CC V 时，电路的输出端电压o v 由高电平翻转为低电平，同时T 导通，于是电容x C 放电，电路返回到稳定状态。

如果忽略T 的饱和压降，则c v 从零电平上升到23CC V 的时间，即为输出电压o v 的脉宽w tln 3 1.1w x x t RC RC =≈ 2.1 模拟信号的处理以及数字化显示在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的 BCD 码送入LED 数码管中，显示出来。

其电路结构如图四，给出BCD —七段显示译码器7448的逻辑图。

如果不考虑逻辑图中由G 1~G 4组成的附加控制电路的影响（即G 3和G 4的输出为高电平），则Y a ~Y g 与A 3、A 2、A 1、A 0之间的逻辑关系为：⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=++=+=++=+=++=++=0121230112023012012012012012230120121302130123A A A A A A Y A A A A A A A Y A A A Y A A A A A A A A A Y A A A A A Y A A A A A A A A Y A A A A A A A A Y gf ed c b aLED 数码管的构造和显示原理：LED 数码管分为共阳极与共阴极两种，如图2—2所示，内部结构如图2—2所示。

a~g 代表7个笔段的驱动端，亦称笔段电极。

DP 是小数点。

第3脚与第8脚内部连通，+代表公共阳极，-表示公共阴极。

对于共阳极LED 数码管（如图2—2所示），将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。

其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接供电平时可以发光。

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为公共阴极。

当驱动信号为高电平，-端接低电平时才能发光。

LED 数码管的特点：1. 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS 、TTL 电路兼容。

2. 发光相应时间极短（＜0.1us ），高频特性好，单色性好，亮度高。

3. 体积小，重量轻，抗冲击性好。

4. 寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。

5. 成本低。

三．电路工作原理及参数的计算1.由555组成的多谐振荡器产生波形，其产生的波形一方面用于计数，另一方面作为单稳态电路的输入。

振荡周期为：()2ln 2R T 021C R +=2.由555组成的单稳态触发器产生的波形控制计数，使74160在单稳态高电平时计数，输出波形占空比为：RC RC t w 1.13ln ≈=3.计数器在单稳触发器高电平时开始计多谐振荡器的周期数，则满足下述关系式：T t w N =为了便于计算，取多谐振荡器中21R R =，设单稳态触发器中外接电容为X C ,则有：ln2C 3R N 1RCx .101⨯=若要显示器直接显示出 x C 的值，则应该满足 N C x = ，所以ln2C 3R 1.1R 01=由以上关系式可取近似值0C =0.1μF ，21R R ==ΩK 51，Ω=K R 10，设被测电容X C =47μF 。

4.通过驱动器7448驱动七段显示数码管LED 进行显示。

四．整体电路图（如图四）图四整体电路图五．小结两周的课程设计很快的就过去了，当拿到课程设计题目的时候，却有些无从下手，这充分反映了自己多所学知识的不够深入了解，我不断地去翻看数电书，去图书馆、互联网查找相关资料，不仅是查找资料，也是讲自己忘记的，没有掌握的重新学习一遍，努力地想把课程设计做好，其中遇到了很多难题，比如电路的连接，以及选择怎样的器件才能将电容显示出来，最难的难题还是在参数的选择计算。

在连接电路图的时候起初是用protel，有些不顺手，后来改用了EWB软件进行绘图，但有些器件还是无法找到，自己面对全英文的软件也有点困难，不管有什么困难尽量克服。

两周的时间很快就过去了，在这期间发现了自己对分体分析不够严谨，以及以前的学习部够认真，对知识模棱两可，这次课程设计培养了我的耐心，以及学习的热情，改掉了很多不好的毛病，其中就包括拖延症，总是把事情拖到最后，感谢老师给我们这次机会，让我们重新认识自己，发现自己的不足，以后会更加努力学习自己的专业知识。

六．芯片介绍555芯片功能介绍555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。

该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。

555时基电路的电路结构和逻辑功能1.电路结构及逻辑功能图五 555电路结构和引脚图图五为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。

它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～1 6V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。

一般用5V。

3脚：OUT（或Vo）输出端。

2脚：TR低触发端。

6脚：TH高触发端。

4脚：R是直接清零端。

当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：CO(或VC)为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：D放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/ 3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表6-1-1示。

表五 555时基电路的功能表74LS160芯片介绍1. 74LS160芯片引脚如图六所示11图6 74LS160芯片引脚图1）LD ：同步置数控制端2）CR ：异步置0控制端3）p CT 和T CT ：计数控制端4）03D D ：并行数据输入端 5）03Q Q ：输出端6）CO ：进位输出端2. 74LS160的功能表如六所示表6 74LS160的功能 输 入 输 出说 明 CR LD P CT T CT CP 3D 2D 1D 0D 3Q 2Q 1Q 0Q CO 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 0 异步置0 1 0 × × ↑ 3d 2d 1d 0d 3d 2d 1d 0d 30T CO CT Q Q =•1 1 1 1 ↑ × × × × 计 数30CO Q Q = 1 1 0 × × × × × × 保 持30T CO CT Q Q =• 1 1 × 0 × × × × × 保 持 0。