【文章內(nèi)容簡介】 1ADM7414NSOUTSGNDC1 圖 信號提取電 路原理圖 沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 15 現(xiàn)役油量測量系統(tǒng)的傳感電容容值變化范圍受到飛機油箱的深度影響，其主要有 10nF100nF、 10002021pF 兩種。由于飛機發(fā)電機輸出電壓頻率為 400Hz，測量系統(tǒng)傳輸電纜主要受此頻率的電磁波及其高次諧波干擾，因此傳輸線上的頻率應該遠高于 400Hz。數(shù)字脈沖串頻率大小會影響電路所需要計數(shù)時間的長短，過長則影響程序運算周期，過短則影響數(shù)據(jù)精度。這里電路最高振蕩頻率需要根據(jù)計數(shù)電路的實際情況再作定奪，因此不在此詳細分析。 這里以傳感電容容值范圍為 10100 nF 的傳感電容做了一次簡單的測試，該電 路輸出脈沖頻率與傳感電容參數(shù)變化的關系如圖 所示。 表 電路參數(shù)表 Cw R R2 脈沖頻率 f 10 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 412 kHz 20 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 375 kHz 30 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 343 kHz 40 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 317 kHz 50 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 294 kHz 60 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 275 kHz 70 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 258 kHz 80 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 229 kHz 90 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 206 kHz 100 nF R1=30kΩ， R2=20kΩ 188 kHz 圖 傳感電容 —頻率關系 10 nF 100 nF 188KHz 412KHz f Cw 沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 16 本儀器信號轉(zhuǎn)換電路的特點： 1）解決了現(xiàn)有的一些儀器油量測量范圍較窄這一問題。 為了解決信號干擾問題，在測量燃油油量時，一般都對燃油進行幾至十幾次的連續(xù)采樣。目前利用電容式傳感器進行油量測量的 儀器，一般使用的都是和本儀器相類似的轉(zhuǎn)換電路。對于這樣的轉(zhuǎn)換電路，每次采樣都需要發(fā)出一觸發(fā)脈沖。所以完成一次完整的測量，需要間斷地發(fā)出幾個至十幾個觸發(fā)脈沖。一般這些觸發(fā)脈沖都是等間隔的。而且對于不少儀器 ,這些脈沖都是由硬件電路完成的。由硬件電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的最大優(yōu)點是不占用 CPU 時間，缺點是產(chǎn)生的脈沖間隔不能根據(jù)需要而方便地進行調(diào)整。這樣，當燃油的油量較大時，傳感器電容將較大，電容轉(zhuǎn)換電路輸出的矩形波將很寬，以至于下一個觸發(fā)脈沖到來之前還沒有結(jié)束，這樣就進行不了第二次采樣，儀器不能正常工作。從而限制了儀器測 量范圍。而本儀器的觸發(fā)脈沖由軟件來產(chǎn)生，這樣便可根據(jù)需要進行靈活的調(diào)整。 2）解決了現(xiàn)有的絕大部分儀器使用溫度較窄的問題目前絕大多數(shù)儀器都采用了熱敏電阻測量燃油溫度，但轉(zhuǎn)換電路采用的都是 A/D 轉(zhuǎn)換器。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器的正常工作溫度范圍為 0176。C～ 70176。C，所以這些儀器一般都不適合寒冷地區(qū)使用。而本儀器的電阻轉(zhuǎn)換電路為一塊 555 集成塊構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 555 集成塊的溫度范圍很寬，這不但降低了成本和功耗，而且還加寬了儀器的使用溫度范圍。 555 振蕩電路輸出的脈沖信號經(jīng)過一級 7414 芯片的反相后輸出， 7414（施 密特觸發(fā)）芯片能夠很好的對振蕩電路給出的脈沖沿進行整形，使脈沖信號變得十分規(guī)整。如果需要功率較大的輸出信號 ,這里可以將 7414 輸出信號再過一級功率電路，使得其輸出電流加強，降低系統(tǒng)對傳輸線阻抗匹配的要求。 計數(shù)電路的設計 由于飛機油箱的結(jié)構(gòu)、所處位置都不同的原因，系統(tǒng)的設計需要對各個油箱的具體情況加以分析。油箱較大的，其傳感電容也大，油箱較小的，傳感電容也就教小，這樣就造成了各個油箱內(nèi)的信號提取電路所給出的脈沖會存在頻率上的差異。 單片機內(nèi)部包含兩個計數(shù)電路，可以對外部脈沖信號進行計數(shù)，由于硬 件自身的限制，外部脈沖的最高頻率會受到限制。這種情況下，單片機自帶的計數(shù)電路就不太適合頻率差異較大的多脈沖的計數(shù)；另外，由于調(diào)用該功能需要占用一個中斷沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 17 源，而單片機的中斷源與中斷嵌套深度十分有限，中斷源的占用將大大降低系統(tǒng)的擴展性。因此這里需要設計一個測量頻率廣、計數(shù)位數(shù)較大、通用性較強的多路脈沖計數(shù)電路，以此來取代單片機的計數(shù)功能，使系統(tǒng)更好地工作。 計數(shù)電路主要由一片 12 位計數(shù)芯片 CD40一片 8 選一的數(shù)控開關 CD405一片四總線緩沖器 74LS125 和一片八雙向總線收發(fā)芯片 74LS245 組成。電路 基本原理如圖 所示。下面首先詳細說明脈沖頻率與閘門時間的關系，隨后說明電路工作原理及接口作用，最后簡要介紹一下電路中所運用到的芯片的基本情況。 CLK10RST11Q121Q1115Q1014Q912Q813Q74Q62Q53Q45Q36Q27Q19VDD16GND8u2CD4040BCNX62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114u1CD4051BCNOE19T/R1A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711A02B018VCC20GND10u3DM74LS245NVCC14A12GND7OE11Y13A25Y411OE24OE413Y26A412A39Y38OE310u4DM74LS125ANVCCVCCVCCVCCVCCCEnCACBCCA1A2A3A4A5A6A7A8RstLEnHEnD0/8D1/9D2/10D3/11D4D5D6D7 圖 計數(shù)電路原理圖 在前面的分析中已提到，由于飛機油箱的不同，往往裝于內(nèi)部的傳感電容大小不同，這就使得傳感電容的容值的變化范圍發(fā)生改變。對于一個 555 振蕩電路而言，可以通過改變電路中電阻參數(shù)來使得不同的兩個振蕩電路具有相同的振蕩頻率。 上一節(jié)中給出了兩個主要傳感電容的容值變化范圍，現(xiàn)將上述對 10100nF 傳感電容的測試數(shù)據(jù)為例說明計數(shù)閘門時間與頻率 之間的關系。 該計數(shù)電路是 12 位二進制計數(shù)器，其計數(shù)范圍為 0—4095。由于傳感信號的頻率 f 范圍被設定于 420188KHz 之間，因此這里選用 10ms 作為閘門時間 T。若在一次計數(shù)過程中，將計數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)用 D 表示，則 式 沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 18 這里我們對微調(diào)電阻作一定的調(diào)節(jié)，使得振蕩電路輸出最高頻率為 409KHz，則計數(shù)電路在輸入最高頻時便是滿量程計數(shù)；當傳感電容容值下降時，振蕩電路的輸出頻率也隨之降低，此時以同樣的閘門時間對脈沖計數(shù)， 就會得到一個數(shù)值較小的計數(shù)。以此方法就可以得到一個數(shù)值隨傳感電容容值下降而上升的計數(shù)數(shù)值。另外，從式 中我們還可以看出，閘門時間的選定對計數(shù)的精度與范圍有直接影響：對于同一個信號而言，閘門時間太長，會導致計數(shù)器的超量程；閘門時間太短，則未能使計數(shù)器滿量程工作，使得計數(shù)數(shù)值較小，影響計數(shù)精度。 計數(shù)電路基本工作原理級各接口作用： 該電路是一個八路 12 位二進制計數(shù)電路。電路左端端口均為輸入，右端則均為輸出，如圖 所示。電路數(shù)據(jù)輸出端口具有高阻態(tài)，其中數(shù)據(jù)輸出 D0D3 與 D8D11以時分復用的方 式由輸出端口低四位輸出。圖 中的 HEn 與 LEn 控制數(shù)據(jù)輸出低八位與高四位。當 LEn與 HEn輸入同時為高電平時，兩片三態(tài)緩沖芯片輸出口均為高阻態(tài)，此時電路輸出不占用數(shù)據(jù)總線；當 LEn輸入信號為低電平而 HEn輸入為高電平時，三態(tài)緩沖芯片 74LS245 被選中，而 74LS125 仍然維持高阻態(tài)，此時計數(shù)器低八位數(shù)據(jù)從八位輸出端口輸出；當 LEn輸入為高電平而 HEn輸入為低電平時，三態(tài)緩沖器將計數(shù)芯片高四位數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線低四位，而 74LS245 維持高阻態(tài)。需要注意的是，這里 LEn與 HEn輸入信號 絕對不可以同時為低電平，因為在這種情況下數(shù)據(jù)總線低四位會出現(xiàn)沖突。在不調(diào)用計數(shù)電路的情況下， LEn 與HEn 輸入信號也都應當為高電平，以免和其他外部電數(shù)據(jù)端口發(fā)生沖突。 LEn 與HEn 信號相當于計數(shù)電路的片選信號。 Rst 輸入端為芯片 CD4040 的計數(shù)清零輸入端，該輸入端為高電平時， CD4040 全部輸出管腳都被置為低電平，計數(shù)器被清零。CEn 輸入端為芯片 CD4051 的輸出允許信號，該輸入端接入低電平時，芯片被允許輸出，其輸出為二進制地址輸入端口 A， B， C 所選中的 8 路輸入信號的某一路，當該信號為高電平時， 芯片禁止輸出，輸出端維持低電平狀態(tài)。該輸入端在運用中接時鐘閘門信號。 本計數(shù)電路對第三路脈沖進行一次計數(shù)，流程如表 所示： 沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 19 表 單路計數(shù)工作流程 時序 CEN Rst ABC HEN LEN D7D0 1 H H XXX H H 高阻態(tài) 2 H H 010 H H 高阻態(tài) 3 L L 010 H H 高阻態(tài) 4 H L 010 H L 計數(shù)數(shù)據(jù)低 8 位 5 H L 010 L H 計數(shù)數(shù)據(jù)高 4 位 6 H H XXX H H 高阻態(tài) 最后簡要介紹一下該電路涉及的芯片 ： 1． CD4040 該計數(shù)電路核心為芯片 CD4040，該芯片是 12 位二進制串行計數(shù)芯片，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)， Rst 端為高電平時，對計數(shù)器進行清零。由于在時鐘輸入端使用了施密特觸發(fā)器，因此對脈沖上升和下降沿時間沒有限制，所有輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。該芯片在 5V 工作電壓時，其對外部脈沖計數(shù)頻率最高為 。該芯片軍用類工作溫度范圍為 55℃—125℃。 2． CD4051 芯片 CD4051 是 8 選一的數(shù)控模擬開關，由三個二進制控制輸入端與 A、 B、 C與 共同控制 8 路輸入信號，并選擇其中一路輸出。該芯片具有低導通阻抗和很低的截止樓電流。該芯片具有極低的靜態(tài)功耗。該芯片軍用類工作溫度范圍55℃—125℃。該芯片在負載阻抗很高的情況下可以傳輸頻率超過 10MHz 的信號。該芯片在電路中的作用是利用數(shù)字信號控制 CD4040 的計數(shù)芯片對各個油箱傳感器作時分復用的計數(shù)，這樣一來便可以使得計數(shù)芯片以一對多的工作方式工作，節(jié)省電路元器件，增加電路的工作效率。 3． 74LS12 74LS245 芯片 74LS245 與芯片 74LS125 均為總線緩沖 芯片，前者是八位雙向緩沖器，后者則是 4 位單向緩沖器，兩芯片共同組成一個 12 位的數(shù)據(jù)緩沖器。兩芯片在 信號無效時，輸出端均呈現(xiàn)高阻態(tài)。由于 CD4040 計數(shù)芯片輸出端沒有三態(tài)功能，因此需要上述芯片組合作為 12 位輸出電路，這樣可以十分方便的配合數(shù)據(jù)總線進行時沈陽航空工業(yè)學院北方 科技學院畢業(yè)設計（論文） 20 分復用，而不必單獨占用一個 I/O 口，節(jié)省單片機端口資源。 顯示電路 考慮到現(xiàn)役測量系統(tǒng)的顯示只采用了兩位有效數(shù)字，又油量數(shù)據(jù)的采集及處理可能會造成程序運行的周期過長，因此顯示電路的設計不宜采用動態(tài)掃描形式。這里本人采用由 三個七段 LED 驅(qū)動芯片 CD4511 構(gòu)成的顯示電路。其電路原理圖如圖