【文章內(nèi)容簡介】 讓相應(yīng)數(shù)量的基準(zhǔn)脈沖通過，進(jìn)行計數(shù)和譯碼。量程轉(zhuǎn)換及符號控制電路由時基電路 NE555 接成單穩(wěn)電路和分頻計數(shù)電路 MC14017及周圍電路組成來控制量程和符號。 第三章 總體電路設(shè)計 10 容量測量原理 要用數(shù)字電路來測量電容的容量可以把容量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)脈沖寬度，次脈沖用來控制一個電子開關(guān)，讓固定頻率的脈沖通過電子開關(guān)送往顯示電路，即可達(dá)到測量顯示的目的。 如測量一個 1pF 的電容，將電容接入一個單穩(wěn) 態(tài) 電路（如圖 32 所示） ， 此為 NE555 的典型應(yīng)用。 此電路的暫穩(wěn)態(tài)時間即脈寬T=9101031012=106=1μS 基準(zhǔn)頻率取 1MHz，其周期也是 1μS，也就是說 1μS 的暫穩(wěn)態(tài)時間即脈寬控制的電子開關(guān)能通過一個脈沖到達(dá)顯示電路，即顯示 1pF。 電子開關(guān)的開啟由基準(zhǔn)脈沖控制。 測量其它 量程 電容容量的方法以此類推 ，只是測量電阻不同而已。 本表分為三個量程，即第一檔 0pF— 99999pF，第二檔 — ，第三檔 — 。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555NRCVCCC負(fù)脈沖觸發(fā)器T 圖 32 單穩(wěn) 態(tài) 電路 NE555的介紹 555 定時器是一種將模擬功能和邏輯功能結(jié)合在同一塊芯片上的集 成電路，8 腳封裝。最初由美國 SIGNETICS 公司在 1972 推出投放市場 ,很快得到廣泛應(yīng)用，也因為應(yīng)用廣泛，許多其它公司也推出了功能一樣的類似型號。此芯片內(nèi)使用了 3 個精度較高的 5K 分壓電阻，型號由此而得名。 NE555 是雙極性器件的第三章 總體電路設(shè)計 11 集成電路，內(nèi)含 2 個 555 電路的型號為 NE556，為 14 腳。另有 CMOS 工藝的7555 和 7556。 NE555 電壓使用范圍為 則為 3V 15V。 引腳位配置說明下： 圖 33 NE555 接腳圖 Pin 1 (接地 ) 地線 (或共同接地 ) ，通常被連接到電路 的 共同接地 端 。 Pin 2 (觸發(fā)點 ) 這個腳位是觸發(fā) NE555 使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出 ) 當(dāng)時間周期開始 輸出 555 的輸出腳位，移至比電源電壓少 伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到 0 伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 (重置 ) 一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制 ) 這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器 工作 在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下 ,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 第三章 總體電路設(shè)計 12 Pin 6 (重置鎖定 ) Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電 ) 這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為 ON 時為 LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF 時為 HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) 這是 555 計時器 IC 的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+ 伏特 (最小值 )至 +16 伏特 (最大值 )。 b． NE555 時基電路主要有 3 種基本應(yīng)用 1. 多諧振蕩器 高電平時間： T1=(R1+R2)C 低電平時間： T2= 振蕩周期： T=(R1+2R2)C C2 為抗干擾電容 ,一般取 ,要求不高也可不用。 2. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 延時時間： T= 秒 3. RS 觸發(fā)器 通電后輸出為高，按 S1 輸出為低，按 S 輸出為高， 6 7 可連接。 電源 電路 電源電路 給控制電路及其它電路提供電源 ， 電源設(shè)計是電路設(shè)計很重 要關(guān)節(jié) ， 它的穩(wěn)定 與否涉及到電路 否能穩(wěn)定工作。 由于本系統(tǒng)所用 的一系列芯片的電源都是直流電源，而現(xiàn)實中用的都是交流電，故要把交流電整流成直流電，本設(shè)計運(yùn)用的是橋式整流法把交流電整流成直流電， 用 LM7812 實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，第三章 總體電路設(shè)計 13 從而滿足系統(tǒng)的要求。 系統(tǒng)所用直流電 源 由三端集成穩(wěn)壓器 LM7812 組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供，如圖 34 所示： IN12OUT3GNDIC11 LM7812T1C2D1Bridge1C31234+12V220V+12VF1S12200uC1C4GND 圖 34 系統(tǒng)電源電路 設(shè)計中選用了 LM7812 三端集成穩(wěn)壓器，提供 +12 直流電壓，輸出功率為15W。在整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。但由于電解電容器在高頻下工作存在 電感特性，對于來自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制 ,因此在整流電路后加入高頻電容，可以進(jìn)一步改善紋波。 這些電容應(yīng)選用頻率特性好的陶瓷電容或 炭 電容。通過電容濾波可以提高穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性和改變瞬態(tài)響應(yīng)。穩(wěn)壓器的容量和調(diào)整范圍留有充足的裕量。穩(wěn)壓器的輸入電壓應(yīng)比輸出電壓大一些，取 大于等于 3V，由多抽頭變壓器 T提供。三端穩(wěn)壓器全都加上了散熱器，以增強(qiáng)工作的穩(wěn)定性。 橋式整流電路的工作原理 在輸入電壓的正半周，其極性上正下負(fù)，即 a 點的電位高于 b 點的電位，二極管 D1和 D3導(dǎo)通， D2和 D4截止，電流 i1的通路是 a D1RL D3b。在負(fù)載電阻RL上得到一個半波電壓， ul=u2。 在輸入電壓的負(fù)半周，其極性上負(fù)下正，即 a 點的電位低于 b 點的電位，二極管 D2和 D4導(dǎo)通， D1和 D3截止，電流 i2的通路是 b D2RL D4a。在負(fù)載 RL第三章 總體電路設(shè)計 14 上得到一個半波電壓， ul=u2。 DT1Ru1 u21234 圖 35 單相橋式整流電路 但是單相橋式整流電路的輸出含有較大的紋波，這遠(yuǎn)不能滿足我們的要求，因此需要采取措施，盡量降低輸出電壓中的紋波，同時還要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓更加平穩(wěn)，接近直流電壓。濾波電路就是完成此項工作。電容器和電 感器是基本的濾波元件。主要利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，將電容器和負(fù)載電阻并聯(lián)或?qū)㈦姼衅髋c負(fù)載電阻串聯(lián)，即可達(dá)到輸出波形平滑的目的。 測量電路 Q121Q132OUT110OUT29GND8Q76Q55Q64Q143CLK11Q47RESET12Q913Q814Q1015VDD16IC5MC14060BQ121Q62CLK10Q19GND8Q36Q45Q74Q53RESET11Q27Q912Q813Q1014Q1115VDD16IC6MC14040BTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1IC7NE555N123U1AMC14081B23174658 U3AD829C2R28C31 2JZC6VCCR30R31R29R32 R33 R34C4Q7C5CX CbVCC 圖 36 測量電路 第三章 總體電路設(shè)計 15 測 量電路是由 5IC — 7IC 、 110IC 及周圍電路組成。 5IC 是 MC14060，其 11 腳的內(nèi)部電路和外面的阻容元件及晶振組成振蕩電路，從 9 腳輸出 穩(wěn)定的 1MHz 穩(wěn)定的基準(zhǔn)脈沖，送到電子開關(guān) 110IC 的輸入端，經(jīng)電子開關(guān)的控制再送入顯示電路，另一路經(jīng) MC14060 本身分頻后，再經(jīng) 6IC即 MC14040 分頻和選擇，（選擇的頻率越低，兩次測量的間隔時間越長，4 腳約為 8 秒， 2 腳約為 4 秒， 3 腳約為 2 秒， 5 腳約為 1 秒。）得到一頻率極低的脈沖，此脈沖一路是作為顯示電路的清零，另一路經(jīng) RC 微分后在脈沖的下降沿形成一負(fù)脈沖觸發(fā)測量電路的工作。 7IC 是時基 集成電路NE555 接成典型單穩(wěn)電路， 2 腳由負(fù)脈沖觸發(fā)后就把電路中的測量電阻對CX 和 bC （ bC 為效正電容）充電時間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的寬度脈沖從 3 腳輸出，再用此脈沖去控制電子開關(guān) 110IC 的開啟時間，讓相應(yīng)數(shù)量的基準(zhǔn)脈沖通過，送達(dá)顯示電路進(jìn)行計數(shù)、譯碼即可顯示電容的容量。 本電路中主要具有放大分頻整形的功能，根據(jù)題目要求，放大電路由兩個電路組成，一個是放大 10MHz 以上的信號 。另一個是放大 10MHz 以下的信號。 10MHz 以上的信號從 2CZ 輸入，先經(jīng)過電容 11C 的隔離后在 10IC （ uPC1651）中對其進(jìn)行信號放大，再經(jīng)過微波分頻電路 9IC （ AD829）進(jìn)行 100 倍分頻，從2 腳輸出的信號送入放大整形電路。 而 10MHz 以下的信號從 3CZ 輸入，經(jīng)電容15C 隔離后送放大整 形電路對其進(jìn)行放大整形，而共同的放大器是由三級 CMOS反相器 8IC （ HEF4069UB）的 1－ 3 串聯(lián)而成。放大倍數(shù) M＝ 28R / 31R ＝ 200 倍，已經(jīng)能讓 30mV 以上的信號放大到限幅狀態(tài)。而晶振頻率的測量可以通過 4CZ 與8IC 的 6 腳組成一個振蕩器，其振蕩頻率經(jīng) 1K 選擇后送 入計數(shù)顯示晶振的工作頻率。 整形電路是由 8IC 的 45 和 R2 R30 組成施密特觸發(fā)器，它能將模擬信號變成邊沿陡直的方波脈沖，進(jìn)功能轉(zhuǎn)換開關(guān) 1K 送到計數(shù)電路，用 CMOS反相器組成放大器具有輸入阻抗高，功耗小，簡單可靠，無需調(diào)試等特點。 MC14060的介紹 MC14060 是 二進(jìn)制串行計數(shù)器 時鐘脈沖發(fā)生器，它是一種帶有振蕩器的14 級分頻器電路，用作振蕩器時帶外接 R、 C 元件或石英晶體和電容器，數(shù)碼第三章 總體電路設(shè)計 16 顯示用的時鐘信號是由 使用場合決定的， MC14060 制作脈沖發(fā)生器具有電路簡潔，工作可靠，成本低，精度高的特點。 MC14060 的 10 腳和 11 腳的內(nèi)部門電路與外接的晶體元件構(gòu)成典型的晶體振蕩器，在這個設(shè)計中振蕩器是由晶體 JZ（ 1MHZ）決定，調(diào)節(jié) 3C 可微調(diào)振蕩頻率 ,1MHZ 的振蕩信號由MC14060 內(nèi)部的 14 級二進(jìn)制分頻器分頻后輸出需要的脈沖信號。 (1)廣泛的供應(yīng)電壓為 至 (2)高的噪聲門限為 DDV （ typ） (3)低電平 TTL 負(fù)載 圖 圖 37 MC14060 引腳圖 3. 真值表 表 31 真值表 輸入 輸出 時鐘 復(fù)位 Qn X H 所有輸出為 L ↓ L 進(jìn)到下一狀態(tài) ↑ L 不變 第三章 總體電路設(shè)計 17 MC14040的介紹 MC14040 是十二位二進(jìn)制串行計數(shù)器，具有分頻作用，被分頻信號由CP 端輸入，分頻后的信號分別由 1Q — 12Q 輸出，最小分頻數(shù)為 2， 最大分頻數(shù)為 212=4096，即 1Q 的輸出信號頻率為輸入信號的 1/2， 12Q 端的輸出信號頻率為輸入信號的 1/4096。 圖 38 MC14040 引腳圖 MC14040 功能表 表 32 MC14040 功能表 時鐘 重置 輸出 X 1 所有輸出為低電平 ↑ 0 無變化 ↓ 0 進(jìn)入到下一狀態(tài) 第三章 總體電路設(shè)計 18 量程轉(zhuǎn)換及符號 控制電路 Q8TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1IC8NE555NQ24COUT12CE13Q03Q51Q76Q89Q911RESET15CLK14Q65Q12Q410Q37VDD16GND8IC9MC14017BCPD11JK1JK2JK3C8R371KR35AN100pFC7R39R38Q9Q10R36 D12D13 D14R40R41R42J1 J2J3564IC102BMC14081B8910IC103CMC14081BCL121311IC103DMC14081BCLVCC