【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1ADM7414NSOUTSGNDC1 圖 信號(hào)提取電 路原理圖 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 現(xiàn)役油量測(cè)量系統(tǒng)的傳感電容容值變化范圍受到飛機(jī)油箱的深度影響，其主要有 10nF100nF、 10002021pF 兩種。由于飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓頻率為 400Hz，測(cè)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(yīng)該遠(yuǎn)高于 400Hz。數(shù)字脈沖串頻率大小會(huì)影響電路所需要計(jì)數(shù)時(shí)間的長(zhǎng)短，過長(zhǎng)則影響程序運(yùn)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(jì)數(shù)電路的實(shí)際情況再作定奪，因此不在此詳細(xì)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(jiǎn)單的測(cè)試，該電 路輸出脈沖頻率與傳感電容參數(shù)變化的關(guān)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(guān)系 10 nF 100 nF 188KHz 412KHz f Cw 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 本儀器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)： 1）解決了現(xiàn)有的一些儀器油量測(cè)量范圍較窄這一問題。 為了解決信號(hào)干擾問題，在測(cè)量燃油油量時(shí)，一般都對(duì)燃油進(jìn)行幾至十幾次的連續(xù)采樣。目前利用電容式傳感器進(jìn)行油量測(cè)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(duì)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(cè)量，需要間斷地發(fā)出幾個(gè)至十幾個(gè)觸發(fā)脈沖。一般這些觸發(fā)脈沖都是等間隔的。而且對(duì)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(diǎn)是不占用 CPU 時(shí)間，缺點(diǎn)是產(chǎn)生的脈沖間隔不能根據(jù)需要而方便地進(jìn)行調(diào)整。這樣，當(dāng)燃油的油量較大時(shí)，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(gè)觸發(fā)脈沖到來之前還沒有結(jié)束，這樣就進(jìn)行不了第二次采樣，儀器不能正常工作。從而限制了儀器測(cè) 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(jìn)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(cè)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(hào)經(jīng)過一級(jí) 7414 芯片的反相后輸出， 7414（施 密特觸發(fā)）芯片能夠很好的對(duì)振蕩電路給出的脈沖沿進(jìn)行整形，使脈沖信號(hào)變得十分規(guī)整。如果需要功率較大的輸出信號(hào) ,這里可以將 7414 輸出信號(hào)再過一級(jí)功率電路，使得其輸出電流加強(qiáng)，降低系統(tǒng)對(duì)傳輸線阻抗匹配的要求。 計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì) 由于飛機(jī)油箱的結(jié)構(gòu)、所處位置都不同的原因，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要對(duì)各個(gè)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(gè)油箱內(nèi)的信號(hào)提取電路所給出的脈沖會(huì)存在頻率上的差異。 單片機(jī)內(nèi)部包含兩個(gè)計(jì)數(shù)電路，可以對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于硬 件自身的限制，外部脈沖的最高頻率會(huì)受到限制。這種情況下，單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)電路就不太適合頻率差異較大的多脈沖的計(jì)數(shù)；另外，由于調(diào)用該功能需要占用一個(gè)中斷沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 源，而單片機(jī)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(kuò)展性。因此這里需要設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量頻率廣、計(jì)數(shù)位數(shù)較大、通用性較強(qiáng)的多路脈沖計(jì)數(shù)電路，以此來取代單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能，使系統(tǒng)更好地工作。 計(jì)數(shù)電路主要由一片 12 位計(jì)數(shù)芯片 CD40一片 8 選一的數(shù)控開關(guān) 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(xì)說明脈沖頻率與閘門時(shí)間的關(guān)系，隨后說明電路工作原理及接口作用，最后簡(jiǎn)要介紹一下電路中所運(yùn)用到的芯片的基本情況。 CLK10RST11Q121Q1115Q1014Q912Q813Q74Q62Q53Q45Q36Q27Q19VDD16GND8u2CD4040BCNX62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114u1CD4051BCNOE19T/R1A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711A02B018VCC20GND10u3DM74LS245NVCC14A12GND7OE11Y13A25Y411OE24OE413Y26A412A39Y38OE310u4DM74LS125ANVCCVCCVCCVCCVCCCEnCACBCCA1A2A3A4A5A6A7A8RstLEnHEnD0/8D1/9D2/10D3/11D4D5D6D7 圖 計(jì)數(shù)電路原理圖 在前面的分析中已提到，由于飛機(jī)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(duì)于一個(gè) 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(gè)振蕩電路具有相同的振蕩頻率。 上一節(jié)中給出了兩個(gè)主要傳感電容的容值變化范圍，現(xiàn)將上述對(duì) 10100nF 傳感電容的測(cè)試數(shù)據(jù)為例說明計(jì)數(shù)閘門時(shí)間與頻率 之間的關(guān)系。 該計(jì)數(shù)電路是 12 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)范圍為 0—4095。由于傳感信號(hào)的頻率 f 范圍被設(shè)定于 420188KHz 之間，因此這里選用 10ms 作為閘門時(shí)間 T。若在一次計(jì)數(shù)過程中，將計(jì)數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)用 D 表示，則 式 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 這里我們對(duì)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(jì)數(shù)電路在輸入最高頻時(shí)便是滿量程計(jì)數(shù)；當(dāng)傳感電容容值下降時(shí)，振蕩電路的輸出頻率也隨之降低，此時(shí)以同樣的閘門時(shí)間對(duì)脈沖計(jì)數(shù)， 就會(huì)得到一個(gè)數(shù)值較小的計(jì)數(shù)。以此方法就可以得到一個(gè)數(shù)值隨傳感電容容值下降而上升的計(jì)數(shù)數(shù)值。另外，從式 中我們還可以看出，閘門時(shí)間的選定對(duì)計(jì)數(shù)的精度與范圍有直接影響：對(duì)于同一個(gè)信號(hào)而言，閘門時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的超量程；閘門時(shí)間太短，則未能使計(jì)數(shù)器滿量程工作，使得計(jì)數(shù)數(shù)值較小，影響計(jì)數(shù)精度。 計(jì)數(shù)電路基本工作原理級(jí)各接口作用： 該電路是一個(gè)八路 12 位二進(jìn)制計(jì)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(shí)分復(fù)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(dāng) LEn與 HEn輸入同時(shí)為高電平時(shí)，兩片三態(tài)緩沖芯片輸出口均為高阻態(tài)，此時(shí)電路輸出不占用數(shù)據(jù)總線；當(dāng) LEn輸入信號(hào)為低電平而 HEn輸入為高電平時(shí)，三態(tài)緩沖芯片 74LS245 被選中，而 74LS125 仍然維持高阻態(tài)，此時(shí)計(jì)數(shù)器低八位數(shù)據(jù)從八位輸出端口輸出；當(dāng) LEn輸入為高電平而 HEn輸入為低電平時(shí)，三態(tài)緩沖器將計(jì)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(hào) 絕對(duì)不可以同時(shí)為低電平，因?yàn)樵谶@種情況下數(shù)據(jù)總線低四位會(huì)出現(xiàn)沖突。在不調(diào)用計(jì)數(shù)電路的情況下， LEn 與HEn 輸入信號(hào)也都應(yīng)當(dāng)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(hào)相當(dāng)于計(jì)數(shù)電路的片選信號(hào)。 Rst 輸入端為芯片 CD4040 的計(jì)數(shù)清零輸入端，該輸入端為高電平時(shí)， CD4040 全部輸出管腳都被置為低電平，計(jì)數(shù)器被清零。CEn 輸入端為芯片 CD4051 的輸出允許信號(hào)，該輸入端接入低電平時(shí)，芯片被允許輸出，其輸出為二進(jìn)制地址輸入端口 A， B， C 所選中的 8 路輸入信號(hào)的某一路，當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)， 芯片禁止輸出，輸出端維持低電平狀態(tài)。該輸入端在運(yùn)用中接時(shí)鐘閘門信號(hào)。 本計(jì)數(shù)電路對(duì)第三路脈沖進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，流程如表 所示： 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 單路計(jì)數(shù)工作流程 時(shí)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(jì)數(shù)數(shù)據(jù)低 8 位 5 H L 010 L H 計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)高 4 位 6 H H XXX H H 高阻態(tài) 最后簡(jiǎn)要介紹一下該電路涉及的芯片 ： 1． CD4040 該計(jì)數(shù)電路核心為芯片 CD4040，該芯片是 12 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)芯片，所有計(jì)數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)， Rst 端為高電平時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。由于在時(shí)鐘輸入端使用了施密特觸發(fā)器，因此對(duì)脈沖上升和下降沿時(shí)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(shí)，其對(duì)外部脈沖計(jì)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(guān)，由三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端與 A、 B、 C與 共同控制 8 路輸入信號(hào)，并選擇其中一路輸出。該芯片具有低導(dǎo)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(fù)載阻抗很高的情況下可以傳輸頻率超過 10MHz 的信號(hào)。該芯片在電路中的作用是利用數(shù)字信號(hào)控制 CD4040 的計(jì)數(shù)芯片對(duì)各個(gè)油箱傳感器作時(shí)分復(fù)用的計(jì)數(shù)，這樣一來便可以使得計(jì)數(shù)芯片以一對(duì)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(gè) 12 位的數(shù)據(jù)緩沖器。兩芯片在 信號(hào)無效時(shí)，輸出端均呈現(xiàn)高阻態(tài)。由于 CD4040 計(jì)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(jìn)行時(shí)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院北方 科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 分復(fù)用，而不必單獨(dú)占用一個(gè) I/O 口，節(jié)省單片機(jī)端口資源。 顯示電路 考慮到現(xiàn)役測(cè)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(huì)造成程序運(yùn)行的周期過長(zhǎng)，因此顯示電路的設(shè)計(jì)不宜采用動(dòng)態(tài)掃描形式。這里本人采用由 三個(gè)七段 LED 驅(qū)動(dòng)芯片 CD4511 構(gòu)成的顯示電路。其電路原理圖如圖