[优秀毕业论文]基于CMOS集成电路来实现电容测试仪的设计.doc
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1、本科毕业设计(论文) 摘 要 本课题的设计电路主要采用 CMOS 集成电路来实现电容测试仪的设计。 电容测试仪主要由时钟振荡电路,控制电路,闸门电路,计数电路,译码 驱动电路和显示电路六部分组成。它的核心思想就是利用单稳态触发器的 暂态的时间来控制多谐振荡器的输出的脉冲的个数 ,然后通过七段数码管 译码驱动显示。 本课题主要研究的是电容测试仪的精度和可靠性。电容测试仪可以测量 三位数字显示,量程可达到 1 到 999,测量时间小于等于 2 秒,精度可达 到10。测量电容值的精度高,成本较低,而且维修方便,应用也比较广 泛。 关键词 测试仪;单稳态触发器;多谐振荡器; 译码驱动显示电路 本科毕业
2、设计(论文) I Abstract Now,electronics technique of development very quick, Gao Xins technique change with each passing day.Especially appropriation integrated circuit design technique of gradually progress with perfect, currently numeral electronics technique already broadly application at the calculato
3、r, auto control, electronics measure each realms such as appearance and correspondence etc.The history current continuously flow out to move,electronics science technique of continuously development,more and more of electronics product application in our daily lifes,The electronics product has alrea
4、dy become the need of our consumer,but the topic of this topic is a simple electric capacity test instrument. Also measure instrument with many electronics in the teaching,this topic be main research of is an electric capacity test instrument of accuracy and credibility.The design of this topic work
5、 credibility, measure electric capacity value of accuracy Gao, the cost be lower, and maintain convenience.This topic is main adoption CMOS integrated circuit to come to realization electric capacity test instrument of design, electric capacity test instrument main is flap by the clock to concuss el
6、ectric circuit, control electric circuit, gateway electric circuit, count electric circuit, translate code to drive electric circuit and manifestation electric circuit six part constitute.Can keep a display of view to be measured permit of electric capacity a value.Numeral measure appearance not onl
7、y ratio imitate diagraph appearance accuracy Gao,the function be strong, and easy realization measure instrument of the intelligence turn.Particularly is medium,large-scale with super large scale integration of development, numeral electronics Key words test instrument Logic electric circuit Count e
8、lectric circuit Translate the code drive manifestation electric 本科毕业设计(论文) II circui 目 录 摘 要.I ABSTRACTII 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景1 1.2 技术指标1 1.3 立题的目的和意义1 第 2 章 课题方案的选择 2 2.1 方案一2 2.2 方案二3 第 3 章 系统电路设计 5 3.1 系统电路工作原理图5 3.2 系统电路的工作原理.5 第 4 章 单元电路设计 7 4.1 时钟脉冲振荡电路7 4.1.1 555 集成定时器的组成 8 4.1.2 555 时基电路的基本功能
9、 8 4.1.3 555 构成时钟脉冲振荡电路 9 4.1.4 时钟脉冲振荡电路的参数计算 .12 4.2 控制电路13 4.2.1 单稳态触发器的特点 .15 4.2.2 单稳态控制电路工作原理 .15 4.2.3 RC 微分电路 16 4.2.4 CC4069 六反相器 18 4.2.5 主要参数的估算 .19 4.2.6 控制电路元器件参数计算 .21 本科毕业设计(论文) III 4.3 闸门电路22 4.3.1 闸门电路的工作原理 .22 4.3.2 CC4081 四 2 输入与门 22 4.4 计数译码驱动显示电路24 4.4.1 计数电路 .24 4.4.2 译码驱动电路 .28
10、 4.4.3 数码显示电路 .31 第 5 章 整机电路的安装与调试 37 5.1 整机电路的安装37 5.2 注意事项37 5.3 整机电路的布线与接地问题38 5.3.1 布线的原则 .38 5.3.2 关于接地问题 .38 5.4 整机电路的调试39 5.5 COMS 的使用注意事项.39 结 论 42 致 谢 43 参考文献 44 附录 1 译 文 .45 附录 2 英文参考文献 .47 附录 3 系统电路原理图 .51 附录 4 元器件表 .52 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 ( ( 论论 文文 ) ) 0 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 21 世纪数字电路的发展速度十分迅
11、速。尤其是 IC 电路的发展更是如此。 IC 芯片功能的发展是越来越完善,电路越来越简单化。这也证明了我国在不 断的发展为数字化的国家,但技术却比以前大有提高,芯片的成本理所当然 要比以前低。而我们用数字芯片构成的电路要比分立元件构成的电路大大的 降低成本。且相对来说更是要比分立元件构成的电路好调试、容易实现多种 功能。 本课题是简易电容测试仪 ,主要考虑到它的成本便宜,可靠性高,实 用性强等特点。由于我对数字电路较为感性趣,同时电容测试仪也是教育事 业的教学必备工具。电容测试仪测试容量准确,极易使用,可对电解电容的 质量进行筛选。从而我们在做课程设计、对讲机的组装、收音机的组装还有 本次的毕
12、业设计都会用到电容测试仪,而本课题正是因为为了提高教学的质 量和为那些爱好电子制作的朋友们而设计的。在电子行业中这是经常使用的 测量仪器,尤其是我们在电子制作中更是如此。本课题主要是应用数字 IC 芯 片搭接,它的主要功能是测量电解电容的容量,用数字电路搭接可达到生动 直观的效果。 1.2 技术指标 1.要求能有三位数字显示,量程为 1999uF。 2.测量时间2S。 3.电解电容测量值的精度为10。 1.3 立题的目的和意义 21 世纪数字电路的发展十分迅速,高新技术日新月异,本课题的目的和意 义主要是为了教育事业提供教学方便,而本电路主要采用集成芯片来制作的, 可直观的显示电容的容量. 本
13、科毕业设计(论文) 1 第 2 章 课题方案的选择 在确定电路的 3 项技术指标后,我查询了许多的相关电子资料 ,并且从 中借鉴出了两种设计方案。其中这两种方案都是在以往的学习过程中所学 到的并能熟练掌握的专业知识。 2.1 方案一 鉴于许多的电子书籍杂志当中的介绍 ,并且与实际电路进行比较,我寻 找到一套设计方案,以下是方案一的详细介绍。 方案一主要采用的是数字电路部分。电路中采用了以一个单稳态振荡电 路和多谐振荡电路为核心 ,加上计数器电路、译码驱动器电路、微分电路、 LED 数码显示电路,就构成了题目所要求的各项功能。电路的调试时间相对 要长一些,主要是能够将电解电容的容量调试出来,这样
14、电路才能够顺利的 实现各项指标。图 2-1 就是方案一的原理框图 : 图 2-1 方案一框图 Cx 信信信信 信信信信 信 信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 T 信信信信 w 信信信信 本科毕业设计(论文) 2 由于方案一,需要将电路按照其工作条件和布局分配逐级连接好 ,在通 过长时间的调试就可以成功。在时间的需求上面也比单片机多 ,同时此方 案所用到的知识都是数电、模电理论基础,这会让我们对数电、模电理论 基础知识的掌握有了更深一步的加深。在电路的整个设计过程中 ,我决定 采用此方案。因为 ,我想既然是毕业设计 ,要对自己所学的知识和实践动手 能力在此次设计中得到更深一步
15、的提高,也是对知识重温的过程,此方案 最大的难点就是电路的设计和调试,但我相信通过我不懈的努力一定会顺 利完成此次方案,所以我选择了对自己知识体系有所完善的方案,并在整 个电路的设计过程中 ,都是以此方案为核心设计和调试的,并最终成功的实 现了电路设计初期的各项指标,完成了此次毕业设计的要求。 2.2 方案二 图 2-2 方案二框图 但是利用方案二这个电路虽然也能够实现电路所设计的功能 ,但是在 电路的制作上面所需要花费的时间和精力需要很多,而且使用不方便,测 得电容的容量不够直观,虽然框图简单,但是在时间上的付出也需要很多, 而且电测得容量的精度不高,虽然都是由单稳态电路和多谐振荡电路为核
16、心,其测量电容的范围很小,不能满足教学的使用以及电子制作者的需求, Cx 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 本科毕业设计(论文) 3 这样电路就不会体现出电路的优点。为此,我选择方案一来作为本次的毕 业设计,同时这也是对我三年来专业知识的一个总结。 本章小结 本章主要介绍的是课题方案选择,并详细的比较了两个方案的优点和缺 点。以便在实际当中得到广泛的应用,为本次的设计选择最佳的方案。 第 3 章 系统电路设计 本科毕业设计(论文) 4 3.1 系统电路工作原理图 系统电路原理图见附录 3。 3.2 系统电路的工作原理 系统电路的工作原理如:图 3-1 是简易
17、电容测试仪的原理框图,它是由 时钟脉冲振荡电路控制电路闸门电路计数电路译码驱动电路数码 显示电路六部分组成。而时钟脉冲振荡电路实质就是多谐振荡器,控制电路 主要是由微分电路和单稳太触发器构成。 当接通 10V 直流电源时,时钟脉冲振荡电路产生 2ms 的矩形脉冲,在微 动开关 S 没有按下时,控制电路的输出信号为低电平(即稳定状态) ,经过 G2 非门变为高电平,对计数电路进行清零工作,同时译码驱动电路的锁存功能 无效,此时显示电路显示为 0 字型。单稳态触发器只有一个稳定状态和一个 暂稳态,而暂稳态的时间主要由 R1 和被测电容即 T=R1(时间常数) X C X C 决定的,如果将其中的电
18、阻 R1 固定不变,则输出的暂稳态时间与被测电容 成正比。当瞬间按下微动开关 S 时,这时使微分电路瞬间产生一个正的尖 X C 峰脉冲,然后经过 G1 非门变为负的尖峰脉冲,为单稳态触发器的脚提供一 个负的触发脉冲,这时单稳态电路的脚输出高电平,而此时的信号就称为 控制信号,就将其 G3 的闸门打开,使时钟振荡电路产生周期为 2ms 的矩形脉 冲通过闸门电路,作为 CC4518(IC6)的脉冲信号,同时单稳态电路的脚输 出的高电平经过 G2 非门变为低电平,此时的 CC4511(IC1)CC4511(IC2) CC4511(IC3)芯片的清零端 R 均无效,而 CC4518(IC4)CC451
19、8(IC5) CC4518(IC6)的锁存端 LE 也均无效。 CC4518 是双十进制同步计数器,是由二个独立的计数器单元构成,有二 个时钟输入端 CP 和 EN,如果采用时钟上升沿触发,则信号由 CP 端输入, 并使 EN 端为高电平;如果采用时钟下降沿触发,则由 EN 端作为信号输入端, 并使 CP 端为低电平。当 CC4518(IC6)CP 脉冲计到第十个脉冲的上升沿时, 此时 QD1 为低电平,作为 CC4518(IC5)EN 端的时钟脉冲信号来进行计数, 当 CC4518(IC5)的 EN 端计到第十个脉冲的下降沿时,QD2 为低电平,这 时作为 CC4518(IC4)芯片 EN
20、端的脉冲信号进行计数,然后分别从 CC4518(IC4)CC4518(IC5)CC4518(IC6)的 QDQCQBQA 端 本科毕业设计(论文) 5 输出信号,并送入对应的 CC4511(IC1)CC4511(IC2)CC4511(IC3) 的输入端 DCBA 端。经过译码驱动电路后在经过 300 的电阻送入到 数码显示电路,从而显示出电容的容值。这时单稳态输出的暂稳态自动翻转 为稳定状态(即低电平) ,将闸门电路 G3 关闭,停止由时钟脉冲振荡电路产 生周期为 2ms 的矩形脉冲通过,同时对计数电路进行清零和对译码驱动电路 锁存。当测下一个电容的容量时,其工作过程重复同上阐述。简易电容测试
21、 仪整机电路的原理图见附录 3。 本章小结 本章主要介绍了系统电路的原理图以及工作原理,同时也是此次设计的 核心内容。它将各单元电路的作用及工作原理进行了详细的描述,使之对整 个设计的工作过程有了更清晰的认识与了解。 第 4 章 单元电路设计 本科毕业设计(论文) 6 4.1 时钟脉冲振荡电路 时钟脉冲振荡电路的实质就是多谐振荡器构成的,其主要作用产生时钟 脉冲信号,然而产生时钟脉冲的方法也很多。由于本题目要求的精度很高, 这里选用 555 定时器组成多谐振荡器来实现时钟脉冲的产生。因为本电路采 用 555 定时器构成多谐振荡电路,不但成本比较低,而且实现起来比较方便。 它的功能灵活,使用方便
22、,带负载能力强。利用它能方便地构成单稳态触发 器、多谐振荡器、施密特触发器等,这些触发器应用与数字系统中,在实现 脉冲的产生、整形、变换、检测和控制等方面都得到广泛的应用。下面详细 介绍 555 定时器的电路的组成及基本功能,其内部结构如图 4-1 所示。 555 实基电路是一种中规模集成电路,只要在外部配上适当的阻容元件, 就可以方便的构成脉冲产生的整形电路,在工业控制定时电子乐器及防盗报 警等方面应用很广。 图 4-1 555 集成定时器的内部结构图 4.1.1 555 集成定时器的组成 1.基本 RS 触发器 本科毕业设计(论文) 7 由两个与非门组成,是专门设置的可从外部进行置 0 的
23、复位端。当R =0 时,使=0,=1。RQQ 2.比较器 A1、A2 是两个电压比较器。比较器有两输入端,分别有+号和-号,如果 用和表示相应输入端上所加的电压,则当时其输出为高电平, UUUU 时输出为低电平,两个输入端基本上不向外电路索取电流,即输入 UU 电阻趋近于无穷大。 3.分压器 三个阻值均为 5的电阻串联起来构成分压器(555 也因此而得名) ,K 为比较器 A1 和 A2 提供参考电压,A1 之+端=2VCC/3A2 之- 端 U =1VCC/3。如果在电压控制端 CO 另加控制电压,则可改变 A1A2 的参考 U 电压。工作中不使用 CO 端时,一般都通过一个 0.01uF
24、的电容接地,以旁路 高频干扰。 4.晶体管开关和输出缓冲器 晶体管构成开关,其状态受端控制。当端为 0 时截止为 1 TD QQ TD 时导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器 G3,其作用是提高定时器的 TD 带负载能力和隔离负载对定时器的影响。 综上所述可知,555 定时器不仅提供了一个复位电平为 2VCC/3置位电 平为 VCC/3且可通过端直接从外部进行置 0 的基本 RS 触发器,而且还给R 出了一个状态受该触发器端控制的晶体管开关,因此使用起来极为灵活。Q 4.1.2 555 时基电路的基本功能 表 4-1 所示是 555 定时器的功能表,它全面地表示了 555 的基本功能。 表
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