數(shù)字式位移表1

1、湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院課 程 實(shí) 習(xí) 報(bào) 告實(shí)習(xí)名稱： 電子設(shè)計(jì)制作與工藝實(shí)習(xí) 學(xué)生姓名： 袁玲 學(xué) 號(hào)： 11160123 專業(yè)班級(jí)： 通信工程1101 指導(dǎo)教師： 黃建春 完成時(shí)間： 2013年6月21日 評(píng)閱意見(jiàn)： 評(píng)閱教師 日期 報(bào)告成績(jī)： 21目錄第1章 數(shù)字式電容是位移測(cè)量?jī)x的原理介紹. 1 1.1電容傳感器的原理 1.1.1 變極距型電容傳感器 1.1.2 變面積型電容傳感器 1.1.3 電容式角位移傳感器 1.1.4 變介電常數(shù)型電容式傳感器 1.2電容位移傳感器測(cè)量方法對(duì)比 1.2.1 運(yùn)算放大器式電路 1.2.2 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 1.2.3 調(diào)頻電路 1.2.4 二極管雙T

2、型電路 1.2.5 AC橋路式測(cè)量電路第2章 數(shù)字式電容是位移測(cè)量?jī)x的電路設(shè)計(jì).11 2.1.1 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相和計(jì)數(shù) 2.1.2 用硬件實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相和計(jì)數(shù) 2.2 電容傳感器的電路設(shè)計(jì) 2.2.1 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 2.2.2 555定時(shí)器的介紹2.3 顯示電路的設(shè)計(jì) 第三章 用PROTEL 99SE 制作電路板.18 心得體會(huì).19 第四章 收音機(jī)的實(shí)習(xí)報(bào)告 數(shù)字式位移表摘要由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性好、能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，電容位移傳感器廣泛用于超精密加工、高精度定位、超精密測(cè)量等領(lǐng)域。現(xiàn)有電容位移傳感器普遍采用側(cè)頭與測(cè)量電路分立設(shè)計(jì)，信號(hào)傳輸電纜的寄生電容等分布參數(shù)對(duì)傳感器的分

3、辨力、穩(wěn)定性等性能影響顯著，因此信號(hào)傳輸距離受到嚴(yán)重限制。如何保證電容模擬信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及減少漂移，就成了影響電容傳感器性能的關(guān)鍵。為了完成對(duì)電容量的測(cè)量，本文涉設(shè)計(jì)了一個(gè)脈沖寬度調(diào)制電路，將電容量的變化轉(zhuǎn)化為不同寬度的脈沖，然后用單片機(jī)的定時(shí)器功能檢測(cè)出來(lái)并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。在運(yùn)用PROTEL99 SE將設(shè)計(jì)的電路制成電路板。關(guān)鍵字：電容；數(shù)字式；脈沖寬度調(diào)制；Protel99 SE第一章 數(shù)字式電容是位移測(cè)量?jī)x的原理介紹 傳感器的應(yīng)用方面可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、震動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量；還可用來(lái)測(cè)量壓力、壓差、液位、料面、成分含量（如油

4、、糧食中的含水量）、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度，測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等，在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為信號(hào)發(fā)生器。電容式傳感器時(shí)將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、等檢測(cè)領(lǐng)域。 1.1電容傳感器的原理 電容器是一個(gè)技能充電又能放電的電子元件，電容器的基本結(jié)構(gòu)有兩只金屬極板或圓通中間隔以絕緣體組成。電容傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場(chǎng)合下，電容式有兩個(gè)金屬平行板組成并以空氣為介質(zhì)，如式（1-1）所示。

5、在不計(jì)邊緣效應(yīng)的情況下，平行板式電容器的電容為 （1-1） 式中 c電容量； 電容極板件介質(zhì)的介電常數(shù)； A兩平行班正對(duì)的面積； d兩極板之間的距離。 當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得式（1-1）中的、A或d發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 1.1.1 變極距型電容傳感器圖1-1為此傳感器的原理圖。設(shè)初始電容量為: (1-2)若電容動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)時(shí)，則極板間距變?yōu)?，電容量為?（1-3） 極板移動(dòng)前后電容的變化量為： （1-4） 則其靈敏度K為: (1-6)故變極距型電容傳感器只在很小時(shí)，才有近似線性輸出。其靈敏度與初

6、始極距的平方成反比，故可通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。1.1.2 變面積型電容傳感器當(dāng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移時(shí)，其電容變化量為 （1-7）與間呈線性關(guān)系1.1.3 電容式角位移傳感器 當(dāng)=0時(shí) （1-8） 當(dāng)時(shí) （1-9）傳感器電容量C于角位移間呈線性關(guān)系1.1.4 變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容 （1-10）電容與液位的關(guān)系為： （1-11） 如圖1-5電容式液位傳感器 （1-12）當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容 （1-13）當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為 （1-14）電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系1.2電容位移傳感器測(cè)量方法對(duì)比電容位移傳感器將被測(cè)的非

7、電量轉(zhuǎn)換成電容后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號(hào)等，這種測(cè)量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。目前廣泛使用的測(cè)量方法有：運(yùn)算放大器式法、差動(dòng)脈沖寬法、調(diào)頻法和調(diào)幅法。1.2.1 運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性 由運(yùn)算放大器工作原理可知 （1-17）結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性，假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=,因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。1.2.2 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 當(dāng)C1=C2時(shí)，如圖1-8（a），則T1=T2,UAB為等寬波。輸出平均電壓UAB=0當(dāng)C1C2時(shí)，若C1C

8、2，則充放電時(shí)間常數(shù)T1T2。如圖1-8（b）, UAB為不等寬距形波，平均輸出電壓不等于零，經(jīng)低通濾波后，可輸出直流電壓。 阻容充放點(diǎn)過(guò)程為： 將式代入中有 （1-18）即差動(dòng)電容變化，使充放電時(shí)間不同，從而使雙穩(wěn)態(tài)輸出方波脈沖寬度不同，因此A，B兩點(diǎn)輸出直流電壓也不同。對(duì)于差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，不論是改變平板電容器的極板面積或是極板距離，其變化量與輸出量都成線性關(guān)系。除此之外，調(diào)寬線路還具有如下一些特點(diǎn)：（1） 不像調(diào)幅線路那樣，需對(duì)元件提出線性要求；（2） 效率高，信號(hào)只要經(jīng)過(guò)低通濾波器就有較大的直流輸出；（3） 不需要解調(diào)器；（4） 由于低通濾波器作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高。1.2.3

9、 調(diào)頻電路 （1-20）當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，平均電容為零，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率 （1-21）當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，平均電容不為零，此時(shí)頻率為 （1-22）具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。1.2.4 二極管雙T型電路 1.2.5 AC橋路式測(cè)量電路其檢測(cè)電路主要有普通交流電橋法、感應(yīng)分壓器電橋法和雙T二極管電橋法三種形式。其工作原理是，將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂（另一個(gè)臂為固定電容）或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。極板間隙的變化會(huì)使電橋失衡，通過(guò)不平衡輸出電壓的幅值與被測(cè)變化量有關(guān)。

10、該電路的優(yōu)點(diǎn):不同的電橋形式，具有不同的特點(diǎn)，如緊耦合電感臂電橋電路具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度，適用于高頻工作；變壓器電橋電路使用原件很少，橋路內(nèi)阻小，使用廣泛。 第二章 數(shù)字式電容是位移測(cè)量?jī)x的電路設(shè)計(jì) 使用光電編碼器測(cè)量位移，準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)數(shù)起著決定性作用。由于在位置控制系統(tǒng)中，電機(jī)既可以正傳，又可以反轉(zhuǎn)，所以要求計(jì)數(shù)器既能實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù)器，又能實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)器 2.1.1 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相和計(jì)數(shù) 編碼器輸出的A向脈沖接到單片機(jī)的外部中斷TNTO，B向脈沖接到I/O端口P1.0，如下圖所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先要把INTO設(shè)置成下降沿觸發(fā)，并開(kāi)相應(yīng)中斷。當(dāng)有效脈沖觸發(fā)中斷時(shí)，執(zhí)行中斷處理程序，判別B

11、脈沖是高電平還是低電平。若是高電平，則編碼器正轉(zhuǎn)，加一計(jì)數(shù)；若是低電平，則編碼器反轉(zhuǎn)，減1計(jì)數(shù)。 2.1.2 用硬件實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相和計(jì)數(shù) 硬件計(jì)數(shù)在執(zhí)行速度上有軟件計(jì)數(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)通常采用多個(gè)可預(yù)置4位雙時(shí)鐘加減計(jì)數(shù)器74LS193級(jí)聯(lián)組成的加減計(jì)數(shù)電路。如下圖所示，PQ、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器的4位預(yù)置數(shù)據(jù)端，與數(shù)據(jù)輸出鎖存器相連接：QA、QB、QC、QD為計(jì)數(shù)器的4位數(shù)據(jù)輸出端，與數(shù)據(jù)輸出緩沖器相接；MR為清零，與上電清零脈沖相接；為預(yù)置允許端，由譯碼控制電路 觸發(fā)；CU為加脈沖輸入端，CD為減脈沖輸入端；TCU為進(jìn)位輸出端；TCD為借位輸出端。 當(dāng)CU和CD中一個(gè)輸入脈沖時(shí)，另一個(gè)必

12、須處于高電平，才能進(jìn)行技計(jì)數(shù)工作。而從編碼器直接輸出的A、B兩路脈沖不符合要求，不能直接接到計(jì)數(shù)器的輸入端，但可以利用這兩路脈沖之間的相位關(guān)系對(duì)其進(jìn)行鑒相后再計(jì)數(shù)。下圖給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前B相90度，D觸發(fā)器輸出口Q為高電平，Q（W2）為低電平，與非門N1打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（W3），送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸出端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，與非門N2關(guān)閉，其輸出為高電平（W4）。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相比B延遲90度，D觸發(fā)器輸出口Q（W1）為低

13、電平，Q（W2）為高電平，與非門N1關(guān)閉，其輸出為高電平；此時(shí)，與非門N2 打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。 2.2 電容傳感器的電路設(shè)計(jì) 2.2.1 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是為了準(zhǔn)確檢測(cè)到電容的變化，而后將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給后級(jí)電路?？梢圆捎妹}沖寬度調(diào)制電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量。我們可以利用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由多謝振蕩器單元和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理及特性可知，輸出的脈沖信號(hào)寬度為 多諧振蕩器又稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒(méi)有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換

14、而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是Vcc-R1-R2-C-地，暗之書規(guī)律上升，當(dāng)上升到時(shí)（TH、端電平大于），輸出反轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為C-R-T-地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到TH、端電平小于零時(shí)，輸出反轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，經(jīng)分析可得輸出高電平時(shí)間、輸出低電平、振蕩周期、輸出方波的占空比。 2.2.2 555定時(shí)器的介紹555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容、就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作

15、為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖2-12所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)VCC/和2VCC/3.555定時(shí)器的功能主要有兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸入為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1.如果閾值輸入端TH的電壓2VCC/

16、3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0.使輸出為0電平。 2.3 顯示電路的設(shè)計(jì) 為了得到具體檢測(cè)到的數(shù)字并直觀的顯示出來(lái)，需要借助數(shù)碼顯示管來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用89C51的I/O口、PO口、P2口輸出結(jié)果，并且采用硬件譯碼。本設(shè)計(jì)采用CD4511來(lái)實(shí)現(xiàn)譯碼等相應(yīng)功能。2.4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)程序流程如圖所示。程序主要包括定時(shí)器、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)BCD碼、延時(shí)子程序三部分。 第三章 PROTEL 99SE 制作電路板心得體會(huì)為了完成課程設(shè)計(jì)，我復(fù)習(xí)了所學(xué)的相關(guān)課程，在圖書館和網(wǎng)上查找了很多資料來(lái)了解數(shù)字式位移表的設(shè)計(jì)方法。從這次設(shè)計(jì)中，使自己更加熟悉Pr

17、otel 99SE 的使用技巧，對(duì)Word、Visio、HyperSnap-DX、畫板等辦公軟件也有了更深的了解，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都將會(huì)有很大的幫助。但是，從這次課程設(shè)計(jì)中，我也認(rèn)識(shí)到了自己的很多不足，以后得更加認(rèn)真，細(xì)心，而且辦事需要嚴(yán)謹(jǐn)，而且，我還深深地認(rèn)識(shí)到自己特別沒(méi)有耐心，以后要學(xué)會(huì)沉著穩(wěn)重，課余時(shí)間多讀點(diǎn)課外書籍，多了解了解這方面的知識(shí)。通過(guò)本次實(shí)訓(xùn)，極大地豐富和鍛煉了我的思維能力、文字編輯能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)讓我聯(lián)想到此次我們的數(shù)電實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目-電子調(diào)光控制器與數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、電子測(cè)量與儀器、電路分析及實(shí)用電源的緊密聯(lián)系，讓我意識(shí)到學(xué)好各門學(xué)科，力爭(zhēng)全面發(fā)展的重要意義

18、。但在老師的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助下，我使用Protel99軟件創(chuàng)建了原理圖元器件庫(kù)，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的樣本繪制原理圖，然后使用QQ截屏把原理圖恰到好處地截取下來(lái)，復(fù)制、粘貼到Word文檔中。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，我從網(wǎng)上搜集資料，從書中摘錄材料，大膽設(shè)想、積極論證，取得了良好的效果。在編輯Word文檔時(shí)又在同學(xué)的幫助下學(xué)會(huì)了讓系統(tǒng)自動(dòng)生成索引和目錄的方法等等。書到用處方恨少，在此次實(shí)訓(xùn)中，我深刻地意識(shí)到了全面、均衡發(fā)展的重要性，更增加了我努力學(xué)好各學(xué)科知識(shí)的緊迫感和源動(dòng)力。同時(shí)在此向辛勤指導(dǎo)過(guò)我的老師和熱心幫助過(guò)我的學(xué)長(zhǎng)及同學(xué)致以誠(chéng)摯的問(wèn)候和衷心的感謝！參考文獻(xiàn)1 禹健.高性能電容傳感器檢測(cè)系統(tǒng)J. 電子產(chǎn)品世界. 2007,12（6）2 王蕓，張國(guó)雄. 基于運(yùn)算法的電容式液位傳感器的設(shè)計(jì)J . 電