【正文】 ................................................................ 29 原理圖設計步驟 .................................................................................... 30 PCB 板圖的設計步驟 ............................................................................ 31 結 論 ............................................................................................................. 35 參考文獻 ......................................................................................................... 36 致 謝 ............................................................................................................. 37 附錄 ................................................................................................................. 38 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 課題研究現狀 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進步，電子技術領域的發(fā)展可謂突飛猛進，電容器在電子線路中得到廣泛的應用 ， 它的容量大小對電路的性能有著重要的作用。電容測量 儀的發(fā) 展水平越來越高，目前 電容測量 儀的應用現狀是：品種多樣，技術含量高。如：TH2615 系列電容測量儀，它是一種易操作 、 智能化的電容測量儀，儀器價格低，測 試速度快。因此，目前精確度高、穩(wěn)定性好、儀器價格低、 測 試速度快的電 容測量 儀有著極大的需求。由于電橋的結構復雜，成本相對也較高，對電容器的一般測量如僅測其電容量，可以用阻抗法測試。隨著測試技術的不斷進步，特別對相位角測試精度的提高，在阻抗法測量的同時增加相位角的測量可以較準確的得到介質損失角，在一定范圍內已經可以替代電橋法測量。 第一章 緒論 2 課題 研究 的目的與意義 數字電子技術在現代社會得到了廣泛的應用，電容是電子技術中不可缺少的部分，它在電子線路中得到廣泛的應用，它的容量大小對電路的性能有著重要的作用。 通過對數顯電容測量儀的設計，使我鞏固了所學的本專業(yè)基礎理論、專業(yè)知識和基本技能，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識與技術獨立分析問題解決問題的能 力；同時對電容測量儀器的工作原理、元器件選擇及電子儀器的常用設計方法等有比較深入的了解；進而掌握了應用計算機進行電子線路設計的基本思想和方法 ；可以幫助改進現有電容測量系統(tǒng)的不足，為企業(yè)產品創(chuàng)新做出幫助；提高自己的動手實踐能力和對電子設計的興趣，為自己以后從事電子類專業(yè)打下堅實的基礎。 2. 基本測量原理。 4. 系統(tǒng)實現及元器件選擇。 6. 結論。 3. 顯示方式：七位 LED 數碼管顯示，五位 LED 顯示電容量，兩位 LED 顯示單位。 可以轉換為電壓值來測量，可以轉換成脈沖寬度， 可以用容抗值來測量， 測量的方法有多種。（電路如圖 21 所示） 設三角波函數式為 UI=Kｔ （ 0 ≤ｔ ｔ 1） (11) UI=－ Kｔ （ｔ １ ≤ｔ ｔ 2） （ 12) 因為 dtdUiCi＝ｘ RiU xO ?? 所以 CKRUO ?? （ 0 ≤ｔ ｔ 1） (13) CKRUO ? （ｔ １ ≤ｔ ｔ 2） (14) 圖 21 方案一設計總體框圖 第二章 方案比較與論證 4 2. 方案 二 單片機法測電容 把 電容 C 轉換成頻率信號 f，轉換的原理分別是 RC 電容三點式振蕩電路，單片機根據所選通道，向模擬開關送兩路地址信號，取得振蕩頻率，作為單片機的時鐘源，通過計數則可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出各個參數。 該設計方案的總體方框圖如圖 22 所示。 Z1 與 Z2 是禍合電感，這種電橋的靈敏度和穩(wěn)定性較高，且寄生電容影響小，簡化了電路屏蔽和接地，適合于高頻工作已廣泛應用。輸出電壓 Usc 的幅值與被測量成正比，這種電路又稱做調幅電路。 被測電容 RC 電容三點式振蕩電路 單 片 機 8 0 C 5 1 數字顯示 第二章 方案比較與論證 5 圖 23 電橋法測電容原理圖 電容電橋的主要特點有 :① 高頻交流正弦波供電； ② 電橋輸出調幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施； ③ 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋； ④ 輸出阻抗很高 (一般達幾兆歐至幾十兆歐 ) ，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數的處理電路。因此在使用中，要求元件參數穩(wěn)定，電源電壓穩(wěn)定，并要消除溫度和電纜電容的影響。此外，輸出非線性較大，需誤差USC USC 第二章 方案比較與論證 6 限幅器 調頻振蕩器 鑒頻器 放大器 Cx C0 L Usc 補償。數字化測量首先是將電容量變?yōu)轭l率信號，常用的有 LC 振蕩和 RC 振蕩。它的電容測量電路原理就是調頻電路原理。圖 2 5 為其原理圖。由運算放大器工作原理可知 圖 25 運算放 大器法測電容原理圖 uCxCujw Cjw CxU sc ??? )/(1 )/(1 第二章 方案比較與論證 7 將 C x= ( ??/S ) 代入上式得 ??SuCUsc ?? 式中負號表明輸出電壓與電源電壓反相。這里是假設放大器開環(huán)放大倍數 A=∞,輸 入阻抗 Z =∞， 因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A 和 Z 足夠大 ，所以該誤差很小、其靈敏度可達 。把要測量的容量轉換成一定的脈沖寬度，此脈沖 用來控制一個電子開關，讓固定頻率的脈沖通過電子開關送往顯示電路，即可達到測量顯示的目的。測量電路由 MC14060、 MC14040 及周圍電路組成， 穩(wěn)定的基準脈沖通過電子開關的控制送往顯示電路，把 需 測量的電容的充電時間轉換成相應的脈沖來控制電子開關的開啟時間讓相應數量的基準脈沖通過，進行計數和譯碼。 （詳細分析見第三章 ） 方案比較 及確定 結合任務書中的要求 ： 1. 測量范圍：第一檔 0pF— 99999pF，第二檔 — ，第三檔— 2. 測量小電容時有校正電路。 4. AC220V 供電 第二章 方案比較與論證 8 方案一 采用了 A/D 轉換器，價格比較昂貴， 精度不高 ，不適合設計要求 。 方案三 適合于高頻 ，那么低頻測量就會受到影響，所以也不選擇它 。 方案五 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 。 通過以上方案的比較，各 個方案各有特點， 適合測量的電容也各有千秋。由三檔量程可以測任何大小的電容，誤差小，花錢不多，易于動手制作。 所以選擇該方案。 把要測量的容量轉換成一定的脈沖寬度，此脈沖用來控制一個電子開關，讓固定頻率的脈沖通過電子開關送往顯示電路，即可達到測量顯示的目的。測量電路由 MC14060、 MC14040 及周圍電路組成，穩(wěn)定的基準脈沖通過電子開關的控制送往顯示 電路，把需測量的電容的充電時間轉換成相應的脈沖來控制電子開關的開啟時間讓相應數量的基準脈沖通過，進行計數和譯碼。 第三章 總體電路設計 10 容量測量原理 要用數字電路來測量電容的容量可以把容量轉換成相對應脈沖寬度，次脈沖用來控制一個電子開關，讓固定頻率的脈沖通過電子開關送往顯示電路，即可達到測量顯示的目的。 此電路的 暫穩(wěn)態(tài)時間即脈寬T=9101031012=106=1μS 基準頻率取 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能通過一個脈沖到達顯示電路，即顯示 1pF。 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。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555NRCVCCC負脈沖觸發(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 能和邏輯功能結合在同一塊芯片上的集成電路，8 腳封裝。此芯片內使用了 3 個精度較高的 5K 分壓電阻，型號由此而得名。另有 CMOS 工藝的7555 和 7556。 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 。觸發(fā)信號上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。周期的結束輸出回到 0 伏左右的低電位。 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。 Pin 5 (控制 ) 這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。 第三章 總體電路設計 12 Pin 6 (重置鎖定 ) Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。 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，當輸出為 ON 時為 LOW，對地為低阻抗，當輸出為 OFF 時為 HIGH，對地為高阻抗。供應電壓的范圍是+ 伏特 (最小值 )至 +16 伏特 (最大值 )。 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。 由于本系統(tǒng)所用 的一系列芯片的電源都是直流電源，而現實中用的都是交流電，故要把交流電整流成直流電，本設計運用的是橋式整流法把交流電整流成直流電， 用 LM7812 實現穩(wěn)壓輸出，第三章 總體電路設計 13 從而滿足系統(tǒng)的要求。在整流之后采用了大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波 。 這些電容應選用頻率特性好的陶瓷電容或 炭 電容。穩(wěn)壓器的容量和調整范圍留有充足的裕量。三端穩(wěn)壓器全都加上了散熱器，以增強工作的穩(wěn)定性。在負載電阻RL上得到一個半波電壓， ul=u2。在負載 RL第三章 總體電路設計 14 上得到一個半波電壓， ul=u2。濾 波電路就是完成此項工作。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，將電容器和負載電阻并聯或將電感器與負載電阻串聯，即可達到輸出波形平滑的目的。 5IC 是 MC14060，其 11 腳的內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)定的基準脈沖，送到電子開關 110IC 的輸入端，經電子開關的控制再送入顯示電路，另一路經 MC14060 本身分頻后，再經 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。 7IC 是時基集成電路NE555 接成典型單穩(wěn)電路， 2 腳由負脈沖觸發(fā)后就把電路中的測量電阻對CX 和 bC （ bC 為效正電容）充電時間轉換為相應的寬度脈沖從 3 腳輸出，再用此脈沖去控制電子開關 110IC 的開啟時間，讓相應數量的基準脈沖通過，送達顯示電路進行計數、譯碼即可顯示電容的容量。另一個是放大 10MHz 以下的信號。 而 10MHz 以下的信號從 3CZ 輸入，經電容15C 隔離后送放大整形電路對其進行放大整形，而共同的放大器是由三級 CMOS反相器 8IC （ HEF4069UB）的 1－ 3 串聯而成。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 1K 選擇后送入計數顯示晶振的工作頻率。 MC14060的介紹 MC14060 是 二進制串行計數器 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，數碼第三章 總體電路設計 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