【正文】 MC14040 的介紹 ............................... 17 量程轉(zhuǎn)換 及 符號(hào)控制電路 .................................................................... 18 MC14017 的介紹 ............................... 19 計(jì)數(shù) 顯示電路 ........................................................................................ 21 七段 LED 顯示及其工作原理 .................... 23 MC14543 的介紹 ............................... 24 目錄 IV 采用脈寬調(diào)制法的 誤差分析 ................................................................ 26 使用方法與校正 .................................................................................... 27 元件的選擇 與制作 ................................................................................ 27 整體電路原理圖 .................................................................................... 28 第四章 PROTEL DXP 應(yīng)用 ......................................................................... 29 PROTEL DXP 的介 紹 .............................................................................. 29 原理圖設(shè)計(jì)步驟 .................................................................................... 30 PCB 板圖的設(shè)計(jì)步驟 ............................................................................ 31 結(jié) 論 ............................................................................................................. 35 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 36 致 謝 ............................................................................................................. 37 附錄 ................................................................................................................. 38 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 課題研究現(xiàn)狀 隨著科技的不斷發(fā)展，人類的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)，電容器在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用 ， 它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要的作用。電容測(cè)量 儀的發(fā)展水平越來越高，目前 電容測(cè)量 儀的應(yīng) 用現(xiàn)狀是：品種多樣，技術(shù)含量高。如：TH2615 系列電容測(cè)量?jī)x，它是一種易操作 、 智能化的電容測(cè)量?jī)x，儀器價(jià)格低，測(cè) 試速度快。因此，目前精確度高、穩(wěn)定性好、儀器價(jià)格低、 測(cè) 試速度快的電 容測(cè)量 儀有著極大的需求。由于電橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)也較高，對(duì)電容器的一般測(cè)量如僅測(cè)其電容量，可以用阻抗法測(cè)試。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別對(duì)相位角測(cè)試精度的提高，在阻抗法測(cè)量的同時(shí)增加相位角的測(cè)量可以較準(zhǔn)確的得到介質(zhì)損失角，在一定范圍內(nèi)已經(jīng)可以替代電橋法測(cè)量。 第一章 緒論 2 課題 研究 的目的與意義 數(shù)字電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，電容是電子技術(shù)中不可缺少的部分，它在電子線路中得到廣泛的應(yīng)用，它的容量大小對(duì)電路的性能有著重要的作用。 通過對(duì)數(shù)顯電容測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，使我鞏固了所學(xué)的本專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技術(shù)獨(dú)立分析問題解決問題的能力；同時(shí)對(duì)電容測(cè)量?jī)x器的工作原理、 元器件選擇及電子儀器的常用設(shè)計(jì)方法等有比較深入的了解；進(jìn)而掌握了應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)的基本思想和方法 ；可以幫助改進(jìn)現(xiàn)有電容測(cè)量系統(tǒng)的不足，為企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新做出幫助；提高自己的動(dòng)手實(shí)踐能力和對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣，為自己以后從事電子類專業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2. 基本測(cè)量原理。 4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及元器件選擇。 6. 結(jié)論。 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。 可以轉(zhuǎn)換為電壓值來測(cè)量，可以轉(zhuǎn)換成脈沖寬度，可以用容抗值來測(cè)量， 測(cè)量的方法有多 種。（電路如圖 21 所示） 設(shè)三角波函數(shù)式為 UI=Kｔ （ 0 ≤ｔ ｔ 1） (11) UI=－ Kｔ （ｔ １ ≤ｔ ｔ 2） （ 12) 因?yàn)? 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(shè)計(jì)總體框圖 第二章 方案比較與論證 4 2. 方案二 單片機(jī)法測(cè)電容 把 電容 C 轉(zhuǎn)換成 頻率信號(hào) f，轉(zhuǎn)換的原理分別是 RC 電容三點(diǎn)式振蕩電路，單片機(jī)根據(jù)所選通道，向模擬開關(guān)送兩路地址信號(hào)，取得振蕩頻率，作為單片機(jī)的時(shí)鐘源，通過計(jì)數(shù)則可以計(jì)算出被測(cè)頻率，再通過該頻率計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。 該設(shè)計(jì)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(jiǎn)化了電路屏蔽和接地，適合于高頻工作已廣泛應(yīng)用。輸出電壓 Usc 的幅值與被測(cè)量成正比，這種電路又稱做調(diào)幅電路。 被測(cè)電容 RC 電容三點(diǎn)式振蕩電路 單 片 機(jī) 8 0 C 5 1 數(shù)字顯示 第二章 方案比較與論證 5 圖 23 電橋法測(cè)電容原理圖 電容電橋的主要特點(diǎn)有 :① 高頻交流正 弦波供電； ② 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)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(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋； ④ 輸出阻抗很高 (一般達(dá)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(shù)的處理電路。因此在使用中，要求元件參數(shù)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(diào)頻振蕩器 鑒頻器 放大器 Cx C0 L Usc 補(bǔ)償。數(shù)字化測(cè)量首先是將電容量變?yōu)轭l率信號(hào)，常用的有 LC 振蕩和 RC 振蕩。它的電容測(cè)量電路原理就是調(diào)頻電路原理。圖 2 5 為其原理圖。由運(yùn)算放大器工作原理可知 圖 25 運(yùn)算放 大器法測(cè)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(fù)號(hào)表明輸出電壓與電源電壓反相。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù) 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(dá) 。把要測(cè)量的容量轉(zhuǎn)換成一定的脈沖寬度，此脈沖用來控制一個(gè)電子開關(guān)，讓固定頻率的 脈沖通過電子開關(guān)送往顯示電路，即可達(dá)到測(cè)量顯示的目的。測(cè)量電路由 MC14060、 MC14040 及周圍電路組成， 穩(wěn)定的基準(zhǔn)脈沖通過電子開關(guān)的控制送往顯示電路，把 需 測(cè)量的電容的充電時(shí)間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖來控制電子開關(guān)的開啟時(shí)間讓相應(yīng)數(shù)量的基準(zhǔn)脈沖通過，進(jìn)行計(jì)數(shù)和譯碼。 （詳細(xì)分析見第三章） 方案比較 及確定 結(jié)合任 務(wù)書中的要求 ： 1. 測(cè)量范圍：第一檔 0pF— 99999pF，第二檔 — ，第三檔— 2. 測(cè)量小電容時(shí)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(zhuǎn)換器，價(jià)格比較昂貴， 精度不高 ，不適合設(shè)計(jì)要求 。 方案三 適合于高頻 ，那么低頻測(cè)量就會(huì)受到影響，所以也不選擇它 。 方案五 運(yùn)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(hào)源及放大器影響 。 通過以上方案的比較，各 個(gè)方案各有特點(diǎn)， 適合測(cè)量的電容也各有千秋。由三檔量程可以測(cè)任何大小的電容，誤差小，花錢不多，易于動(dòng)手制作。 所以選擇該方案。 把要測(cè)量的容量轉(zhuǎn)換成一定的脈沖寬度，此脈沖用來控制一個(gè)電子開關(guān)，讓固定頻率的脈沖通過電子開關(guān)送往顯示電路，即可達(dá)到測(cè)量顯示的目的。測(cè)量電路由 MC14060、 MC14040 及周圍電路組成，穩(wěn)定的基準(zhǔn)脈沖通過電子開關(guān)的控制送往顯示電路，把需測(cè)量的電容的充電時(shí)間轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的脈沖來控制電子開關(guān)的開啟時(shí)間讓相應(yīng)數(shù)量的基準(zhǔn)脈沖通過，進(jìn)行計(jì)數(shù)和譯碼。 第三章 總體電路設(shè)計(jì) 10 容量測(cè)量原理 要用數(shù)字電路來測(cè)量電容的容量可以把容量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)脈沖寬度，次脈沖用來控制一個(gè)電子開關(guān)，讓固定頻率的脈沖通過電子開關(guān)送往顯示電路，即可達(dá)到測(cè)量顯示的目的。 此電路的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即脈寬T=9101031012=106=1μS 基準(zhǔn)頻率取 1MHz，其周期也是 1μS，也就是說 1μS 的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間即脈寬控制的電子開關(guān)能通過一個(gè)脈沖到達(dá)顯示電路，即顯示 1pF。 測(cè)量其它 量程 電容容量的方法以此類推 ，只是測(cè)量電阻不同而已。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555NRCVCCC負(fù)脈沖觸發(fā)器T 圖 32 單穩(wěn) 態(tài) 電路 NE555的介紹 555 定時(shí)器是一種將模擬功能和邏輯功能結(jié)合在同一塊芯片上的集 成電路，8 腳封裝。此芯片內(nèi)使用了 3 個(gè)精度較高的 5K 分壓電阻，型號(hào)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(hào)上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于 1/3 VCC 。周期的結(jié)束輸出回到 0 伏左右的低電位。 Pin 4 (重置 ) 一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。 Pin 5 (控制 ) 這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。 第三章 總體電路設(shè)計(jì) 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(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為 ON 時(shí)為 LOW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為 OFF 時(shí)為 HIGH，對(duì)地為高阻抗。供應(yīng)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(shí)時(shí)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(xiàn)實(shí)中用的都是交流電，故要把交流電整流成直流電，本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是橋式整流法把交流電整流成直流電， 用 LM7812 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，第三章 總體電路設(shè)計(jì) 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(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。 這些電容應(yīng)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(diào)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(qiáng)工