【正文】 。（各集成電路的引腳功能 詳見 下面介紹 ）數(shù)碼管是共陰 寸紅色 5 只、綠色兩只。其 4 腳是 8421 碼 A、 B、 C、 D 的輸入端， 9 至 15 腳七段數(shù)碼 a— g 的輸出端。 計數(shù) 顯示電路 顯示電路是由 1IC — 4IC 、 1Q — 3Q 數(shù)碼管及電阻電容組成。 第三章 總體電路設計 20 2. 推薦工作條件 電源電壓范圍： 3V— 15V 輸入電壓范圍： 0V— DDV 工作溫度范圍： M 類： 55℃ — 125℃ E 類： 40℃ — 85℃ 3. 極限值 電源電壓： — 18V 輸入電壓： — DDV + 輸入電流：177。如果要用上升沿來計數(shù)，則信號由 CP 端輸入；如果要用下降沿來計數(shù)，則信號由 CE———端輸入； MC14017 具有 10 個輸出端 0Q ~ 9Q ,每個輸出端的狀態(tài)與輸入計數(shù)器的脈沖個數(shù)相對應，每一時刻只有一個輸出端為“ 1”其余輸出端皆為“ 0”。它在本次設計中用在了脈沖發(fā)生電路和控制電路中，名為 9IC 。此時插在 4CZ 上的待測晶振與 8IC 的 6 腳 組成振蕩器，其振蕩頻率經(jīng) 1K 選擇后送計數(shù)電路顯示晶振的工作頻率。即完成校正功能。 6IC 的 5 腳將輸出 1024Hz 的方波，經(jīng) 16C 隔離后由 CZ1 輸出信號。計數(shù)器的工作時間關(guān)系是：清零（ 秒） —— 計數(shù)（ 1 秒） —— 鎖存（ 秒）。 6IC 的 3 腳輸出的脈沖上升沿使 7IC 的 3 腳變?yōu)楦?電平，如此時放大分頻整形電路有信號輸出，計數(shù)電路將開始記錄脈沖個數(shù)，經(jīng) 6IC輸出兩個脈沖后（每個脈沖周期是 秒）再輸出的 7 個脈沖將使 7IC 的 11（ 3Q 9Q ）分別出現(xiàn)高電平，這些腳經(jīng)二極管 1D 7D 隔離后接在計數(shù)器的鎖存控制端上，使計數(shù)器顯示剛才記錄的脈沖個數(shù)，完成一次測量。測頻時，標準時間信號經(jīng)過放大整形和一系列分頻，用做控制門電路的時基信號，時基信號經(jīng)過門第三章 總體電路設計 19 控電路形成門控信號。按一下 AN 后， MC14017 的 1Q 出現(xiàn)高電平，相應的 繼電器吸合，轉(zhuǎn)到下一量程，單位電路顯示 μF，數(shù)碼管的第一個小數(shù)點也會被點亮，完成容量的顯示。 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 進入到下一狀態(tài) 第三章 總體電路設計 18 量程轉(zhuǎn)換及符號 控制電路 Q8TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1IC8NE555NQ24COUT12CE13Q03Q51Q76Q89Q911RESET15CLK14Q65Q12Q410Q37VDD16GND8IC9MC14017BCPD11JK1JK2JK3C8R371KR35AN100pFC7R39R38Q9Q10R36 D12D13 D14R40R41R42J1 J2J3564IC102BMC14081B8910IC103CMC14081BCL121311IC103DMC14081BCLVCC 圖 39 量程轉(zhuǎn)換及符號控制 電路 量程轉(zhuǎn)換電路是由 8IC 、 9IC 和周圍電路組成， 8IC 是時基電路 NE555 接成單穩(wěn) 態(tài) 電路，按一下輕觸開關(guān) AN， 3 腳就輸出一個脈沖； 9IC 是分頻計數(shù)集成電路 MC14017，它接成三分頻方式，三個脈沖循環(huán)一次，它對 8IC 送來的脈沖計數(shù)分頻，得電瞬間電路被清零， 0Q （集成電路的 3 腳）出現(xiàn)高電平 ，相應的繼電器 J1 吸合， JK1 導通把 R32 接入測量電路，同時也在控制 210?IC 的 5 腳為高電平。 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 級二進制分頻器分頻后輸出需要的脈沖信號。 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。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)。 10MHz 以上的信號從 2CZ 輸入，先經(jīng)過電容 11C 的隔離后在 10IC （ uPC1651）中對其進行信號放大，再經(jīng)過微波分頻電路 9IC （ AD829）進行 100 倍分頻，從2 腳輸出的信號送入放大整形電路。 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 。）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脈沖觸發(fā)測量電路的工作。 測量電路 Q121Q132OUT110OUT29GND8Q76Q55Q64Q143CLK11Q47RESET12Q913Q814Q1015VDD16IC5MC14060BQ121Q62CLK10Q19GND8Q36Q45Q74Q53RESET11Q27Q912Q813Q1014Q1115VDD16IC6MC14040BTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1IC7NE555N123U1AMC14081B23174658 U3AD829C2R28C31 2JZC6VCCR30R31R29R32 R33 R34C4Q7C5CX CbVCC 圖 36 測量電路 第三章 總體電路設計 15 測 量電路是由 5IC — 7IC 、 110IC 及周圍電路組成。電容器和電 感器是基本的濾波元件。 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。 在輸入電壓的負半周，其極性上負下正，即 a 點的電位低于 b 點的電位，二極管 D2和 D4導通， D1和 D3截止，電流 i2的通路是 b D2RL D4a。 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，即 a 點的電位高于 b 點的電位，二極管 D1和 D3導通， D2和 D4截止，電流 i1的通路是 a D1RL D3b。穩(wěn)壓器的輸入電壓應比輸出電壓大一些，取 大于等于 3V，由多抽頭變壓器 T提供。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。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，可以進一步改善紋波。 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。 電源 電路 電源電路 給控制電路及其它電路提供電源 ， 電源設計是電路設計很重 要關(guān)節(jié) ， 它的穩(wěn)定 與否涉及到電路 否能穩(wěn)定工作。 b． NE555 時基電路主要有 3 種基本應用 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。 Pin 8 (V +) 這是 555 計時器 IC 的正電源電壓端。當這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。當計時器 工作 在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下 ,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。它通常被接到正電源或忽略不用。于高電位時的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 3 (輸出 ) 當時間周期開始 輸出 555 的輸出腳位，移至比電源電壓少 伏的高電位。 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。 NE555 電壓使用范圍為 則為 3V 15V。 NE555 是雙極性器件的第三章 總體電路設計 11 集成電路，內(nèi)含 2 個 555 電路的型號為 NE556，為 14 腳。最初由美國 SIGNETICS 公司在 1972 推出投放市場 ,很快得到廣泛應用，也因為應用廣泛，許多其它公司也推出了功能一樣的類似型號。 本表分為三個量程，即第一檔 0pF— 99999pF，第二檔 — ，第三檔 — 。 電子開關(guān)的開啟由基準脈沖控制。 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 的典型應用。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。顯示電路由 MC14543 和 MC14553 數(shù)碼管及周圍電路組成，來顯示相應電容的大小。 第三章 總體電路設計 9 第三章 總體 電路 設計 原理方 框圖 量 程 、 符 號 及 小 數(shù) 點轉(zhuǎn) 換 電 路 基 準 脈 沖 發(fā) 生 器負 脈 沖 形 成電 路測 量 及 電 容 脈 沖轉(zhuǎn) 換 電 路分 頻 電 路 及 清 零電 路譯 碼 顯 示 電 路閘 門 控 制電 路1 2 V 穩(wěn) 壓 電 源 圖 31 原理方框圖 此 電路由 譯碼 顯示電路、 電容 測量電路、量程轉(zhuǎn)換及符號控制電路、電源電路組成。能很好的滿足設計任務的要求。但結(jié)合任務書中的要求和自己實際情況 ，經(jīng)過反復思考和多次討論， 決定采用方案 六 ，因為它的特點 :測量方法和硬件電路比較簡單； 頻率穩(wěn)定加一個 1MHz的晶振就可以。 方案六 穩(wěn)頻誤差小，耗電量小 ，測量范圍寬，但要求頻率穩(wěn)定。 方案四 要求元件穩(wěn)定，輸出的非 線性誤差大。方案二 元器件簡單，容易實現(xiàn)， 測大電容時誤差較大，測量范圍不夠?qū)?，顧也無法實現(xiàn)目標 。 3. 顯示方式：七位 LED 數(shù)碼管顯示，五位 LED 顯示電容量，兩位 LED 顯示單位。 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 。顯示電路由 MC14543 和 MC14553 數(shù)碼管及周圍電路組成，來顯示相應電容的大小。缺點是運算放大器電源電壓低，靈敏度受限制且輸出穩(wěn)定性將受信號源及放大器影響 6. 方案六 脈寬調(diào)制法 電路由顯示電路、測量電路、量程轉(zhuǎn)換及符號控制電路、電源電路組成。顯然，輸出電壓與電容極板間 成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容傳感器的線性。 Cx 是傳感器電容， C 是固定電容， u 是輸出電壓信號。 圖 24 調(diào)頻法測電容原理圖 5. 方案五 運算放大器法 該電路的最大優(yōu)點是能夠克服變極 距型電容傳感器的非線性及采用虛地法驅(qū)動電纜屏蔽 ( 也稱不完善屏蔽法，這是運算法屏蔽的一種，此外還有完善屏蔽法， 1 :1 中和屏蔽法等 ) ，解決了 1 :1 放大器難以實現(xiàn)的中和電路對寄生電容的跟蹤問題。對于電容量微小變化的測量，介紹了一種借助比較電容來測量 △ C 的方法。統(tǒng)的模擬測量方法電路環(huán)節(jié)多，容易受零漂溫漂的影響，尤其對小電容的測量，更難保證測量精度。其頻率誤差約為 %1%。 4. 方案四 調(diào)頻法測電容 調(diào)頻電路如圖 24 所示，它的優(yōu)點是：頻率輸出易得到數(shù)字量輸出，不需 A/D 轉(zhuǎn)化；靈敏度較高，可測量 級位移變化，能獲得伏特級直流電壓信號，直接與微機匹配，抗干擾能力強，可長距離發(fā)送 與接收。當傳感器接有工作負載時， USC=E△ d/d 壓除與被測量變化 △