【導(dǎo)讀】利用平行板差動(dòng)電容，配以脈寬調(diào)制信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微位移的檢測(cè)。建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)；研制平行板電容器；研制出傳感器信號(hào)處理電路；研制出一臺(tái)微位移測(cè)試儀。外文翻譯，文獻(xiàn)綜述，提出總體方案，提交開題報(bào)告，撰寫調(diào)研報(bào)告。編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。分辨率高、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。振動(dòng)、角度、加速度、壓力、壓差、液面和成分含量測(cè)量等方面獲得廣泛應(yīng)用。了測(cè)出被測(cè)非電量必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信號(hào)。本論文主要研究的內(nèi)容是電容式位移傳感器及其測(cè)量電路。設(shè)計(jì)中電容器由三片相同?，F(xiàn)對(duì)微小位移的檢測(cè)。這種電路無需相敏檢波電路即可判定產(chǎn)生位移的板的運(yùn)動(dòng)位置，由。于采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，整體電路具有線性度高、靈敏度高和溫漂小的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)分為兩部分，即傳感器制作部分和測(cè)量電路部分，通過分步測(cè)試調(diào)理，當(dāng)動(dòng)極板與兩固定極板的相對(duì)

　　

【正文】 ]。所以江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 22 在選擇元器件時(shí)應(yīng)注意這些細(xì)節(jié)。 測(cè)量電路元件選擇 電路中涉及的元器件有：電壓源、比較器芯片、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、非門芯片，電阻電容，二極管等，下面一一介紹。 總電路需要一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源提供電壓。選擇 YB1731A 5A 雙路直流穩(wěn)壓電源，該電源有如下特點(diǎn)： （ 1）用四組 LED 顯示器分別指示兩路電壓和電流值； （ 2）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能且穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換； （ 3）采用電流限制保護(hù)方式而且限流點(diǎn)可任意調(diào)節(jié)； （ 4）兩路輸出電壓可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，在串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，可由一路主電源進(jìn)行電壓或電流 (并聯(lián) )跟蹤； （ 5）具有過載和短路保護(hù)功能。 YB1731A 5A 相關(guān)技術(shù)參數(shù)： 輸出電壓 030V；輸出 電流 05A；負(fù)載效應(yīng) CV 5 10^4+2mV ， CC 5 10^3+10mA；電源效應(yīng) CV 1 10^4+， CC 5 10^3+1mA；紋波及噪聲 CV 1mVrms， CC 1mArms；顯示精度 177。 1%+2 個(gè)字；工作溫度 0~40176。 C；可靠性 MTBF ≥ 2020h；電源電壓 AC 200V177。10%。50Hz177。 5%。 參考電壓的選擇 脈沖調(diào)寬測(cè)量電路中，要求參考電壓源提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電壓，設(shè)計(jì)中選擇 通過滑動(dòng)變阻器分壓來實(shí)現(xiàn)，其中滑動(dòng)變阻器的供電電壓為上述電源所提供。參考電 壓電路如圖 圖 參考電壓電路 Reference Voltage Circuit 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 23 比較器的選擇 比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即零電平和電源電壓。在選擇比較器時(shí)，比較器的輸出延遲時(shí)間是選擇的關(guān)鍵參數(shù)，延遲時(shí)間包括信號(hào)通過元器件產(chǎn)生的傳輸延遲和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，高速的比較器對(duì)電路的響應(yīng)具有重要作用。通過考慮，選擇了比較專業(yè)的電壓比較器 LM339/LM339N，下面介紹一下該芯片結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技巧。 22OUT3Vcc42IN52IN+61IN71IN+83IN93IN+104IN114IN+12GND13OUT414OUT311OUT 圖 LM339 引腳圖 Pin Diagram of LM339 LM339 集成塊采用 C14 型封裝，外型及管腳排列如圖 所示。它內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： （ 1） 失調(diào)電壓小，典型值為 2mV；（ 2）電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。 1V177。 18V；（ 3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；（ 4）共模范圍很大，為 0~（ Vc ）Vo；（ 5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；（ 6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“ ”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另外加一個(gè)帶比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“ +”端電壓高于“ ”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“ ”端電壓高于“ +”端時(shí)，輸出 管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339 用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選擇不同的阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 24 高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的選擇 脈沖調(diào)寬電路中要求通過雙穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器輸入端高、低電位的變化實(shí)現(xiàn)輸出端高、低電位的變化。設(shè)計(jì)中采用 了 由 四個(gè) RS鎖存器構(gòu)成的 74LS279 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 1R11S121S231Q42R52S62Q7GND83Q93R103S1113S2124Q134R144S15Vcc16 圖 74LS279 引腳圖 Pin Diagram of 74LS279 由圖可知，四個(gè)鎖存器中有兩個(gè)具有兩個(gè)置位端（ 1S ， 2S ）。當(dāng) S 為低電平， R 為高電平時(shí)，輸出端 Q 為高電平；當(dāng) S 為高電平， R 為低電平時(shí)， Q 為低電平；當(dāng) S 和 R 均為高電平時(shí)， Q被鎖存在已建立的電平中；當(dāng) S 和 R 均為低電平時(shí)， Q 為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。因此可得其真值表如下： 表 74LS279真值表 注： 1為高電平， 0為低電平 True Value Table of 74LS279 Note:1High Level,0Low Level 輸 入 輸 出 1S 2S R Q 0 0 0 不穩(wěn)定高電平 0 0/1 1 1 0/1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 不變 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 25 74LS279 的推薦工作條件：電 源電壓 Vc 滿足 ? Vc ? ，一般取 Vc =5V；輸入高電平電壓 IHV 滿足 IHV ? ；輸入低電平電壓 ILV 滿足 ILV ? ；輸出高電平電流 OHI 滿足 OHI ? 400 A? ，輸出低電平 OLI 滿足 OLI ? 8mA；脈沖寬度不得小于 20ns；工作溫度區(qū)間為 40℃ ? AT ? 85℃。 非門芯片的選擇 由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS279 沒有 Q 輸出端，因而考慮在 Q 端之后加接一個(gè)非門芯片來實(shí)現(xiàn)。芯片型號(hào)為 74HC04，引腳如圖 所示。 11A21Y32A42Y53A63Y7GND84Y94A105Y115A126Y136A14Vcc 圖 74HC04 引腳圖 Pin Diagram of 74HC04 推薦工作條件：電源電壓 Vc 滿足 2? Vc ? 6，一般取 Vc =5V；輸入高電平電壓 IHV 滿足 IHV ? ；輸入低電平電壓 ILV 滿足 ILV ? ；輸入電壓最大可達(dá)到 Vc ；輸出電壓最大可達(dá)到 Vc 。 低通濾波器的選擇 設(shè)截止頻率為 ω c ，頻率低于 ω c 的信號(hào)可以通過，高于 ω c 的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為低通濾波器。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓 。 由差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖（圖 ）可知， 只 需經(jīng) 過一個(gè) 低通濾波 器即可 得到直流輸出電壓 0U 。 通常來說，濾波器分為 有源濾波器與無源濾波器兩種，低通濾波器也不例外，在這里將分別介紹這兩種濾波器在該設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 首先，如圖 所示，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的一階無源低通濾波器， 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 26 圖 一階無源低通濾波器 The Firstorder Passive Lowpass Filter 電路中只包含一個(gè)電阻，一個(gè)電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能。但它的負(fù)載能力差，對(duì)于直流信號(hào)，負(fù)載開路時(shí)，信號(hào)將無衰減的輸出；但外電路有負(fù)載時(shí)，信號(hào)將會(huì)被衰減。 由電路可 得，該電路的傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?110 ??? ssu susH i ? （ 48） 其中 RC?? ，稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)上式求傅立葉變換可得其頻率響應(yīng)函數(shù)為 ? ???? jjH ?? 1 1 （ 49） 其幅頻特性 ???A 為 ? ?? ?21 1??? ??A （ 410） 低通濾波器的截止頻率為 fc = RC?21 （ 411） 由于負(fù)載對(duì)于 RC 無源濾波器具有較大的影響，常常在后面加接運(yùn)算放大器，構(gòu)成一階有源 RC 濾波器電路，如圖 所示。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 27 圖 一階有源低通濾波器 The Firstorder Active Lowpass Filter 該電路的傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?10 ??? sKsu susH i ? （ 412） 式中31 RRK F?? ， 頻率特性為 ? ???? jKjH ?? 1 （ 413） 與無源濾波器相比，有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接級(jí)聯(lián)，不需要進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)，有源濾波器電路還可以進(jìn)行增益調(diào)整，通過調(diào)節(jié)橋臂電阻，可補(bǔ)償電路中的增益衰減。電路對(duì)直流信號(hào)及低頻信號(hào)幾乎無增益衰減。相對(duì)于無源濾波器，有源濾波器有著無可替代的優(yōu)勢(shì)，在大部分場(chǎng)合， 都采用有源濾波器 [36]。不過在本設(shè)計(jì)中，電路對(duì)輸入輸出阻抗沒有特別要求，所以兩種濾波器在這里都是可行的。另外，由于輸出有兩點(diǎn)的電壓需要濾波，所以可以采用先差動(dòng)放大在接 RC 濾波器的方法，電路如下圖所示： 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 28 圖 A、 B 點(diǎn)輸出電壓處理電路 Output Voltage Processing Circuit of A ,B 針對(duì)有源濾波器與圖 中使用的運(yùn)算放大器，下面簡(jiǎn)要介紹。 運(yùn)算放大器介紹 本設(shè)計(jì)中所用的運(yùn)算放大器為 LM324。內(nèi)部還有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，適合電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。 LM324 的引腳圖如圖 所示， 1OUT12IN13IN1+4Vcc5IN2+6IN27OUT28OUT39IN310IN3+11VEE,Gnd12IN4+13IN414OUT4 圖 LM324 引腳圖 Pin Diagram of LM324 該芯片有如下特點(diǎn)：具有短路保護(hù)輸出；真差動(dòng)輸入級(jí)；低偏置電流，最大 100nA；具有內(nèi)部補(bǔ)償功能；共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；輸入端具有靜電保護(hù)功能；電源范圍寬，單電源 3V 至 32V 電源或者雙電源 ? 至 ? 16V；另外，它具有 1M 的帶寬，完全可以滿足本設(shè)計(jì)中濾波器的要求。 測(cè)量電路元 器 件參數(shù)計(jì)算 與確定 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 29 本設(shè)計(jì)中所要確定的參數(shù)有充放電電路的電阻 1R 、 2R ，電容 1C 、 2C ，比較器輸出上拉電阻，運(yùn)放所需的電阻、電容，比較器參考電壓的設(shè)定，觸發(fā)器輸出高電壓等，下面將逐一介紹。 通過查閱資料了解，電容傳感器初始電容很?。?20100pF）。在這里選取 初始電容1C = 2C =30pF，選擇電阻值 1R = 2R =300kΩ 。參考電壓 rU =2V，基準(zhǔn)電壓為 5V，即觸發(fā)器輸出的高電位 1U =5V。 （注意：參考電壓要比觸發(fā)器輸出高電壓要小，一般取 rU =121U[37,38]) 分別由式（ 42）計(jì)算可得： 周期為 T =rUU UCR ?1111 ln2 = 25 5ln1030103002 123 ?????? ?= s? ； 頻率為 f =T1 = = =109kHz ； 低通濾波器的截止頻率 公式為 RCfc ?2 1? （ 414） 本設(shè)計(jì)中取 R=1k， C= F? ，則 低通濾波器的截止頻率 為63 1 ??????= 。 低通濾波器所使用的運(yùn)算放大器倍數(shù)選為 6倍，電阻 3R =10k, FR =50k。 另外，各芯片的電源電壓確定如下：比較器采用雙電源供電，電壓為 ? 12V，觸發(fā)器工作電壓選取 +5V，非門芯片與運(yùn)放工作電壓均