數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目教程 課件 項(xiàng)目6 簡易數(shù)顯式電容計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟

任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)

任務(wù)6.4安裝與調(diào)試任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟“數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)”的任務(wù)是讓學(xué)生通過解決實(shí)際問題,鞏固和運(yùn)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)踐技能,基本掌握常用數(shù)字電路的一般設(shè)計(jì)方法,提高設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐技能,提高自學(xué)和解決實(shí)際問題的能力,鍛煉獨(dú)立思考和創(chuàng)新精神,有助于提高全面素質(zhì),為畢業(yè)設(shè)計(jì)及今后從事電子電路設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品打下一定的基礎(chǔ)。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟如圖61所示。

但電路種類很多,設(shè)計(jì)方法和步驟也會因不同情況而異,設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握。

下面對項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的主要環(huán)節(jié)做簡要說明。6.1.1任務(wù)書任務(wù)書是進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的依據(jù)。

任務(wù)書一般寫有以下內(nèi)容:(1)課題名稱;(2)主要技術(shù)指標(biāo)和要求;(3)提供的元器件、實(shí)驗(yàn)器材;(4)參考資料。6.1.2總體方案的選擇設(shè)計(jì)原理電路的第一步是選擇總體方案。

所謂總體方案,是指針對任務(wù)書提出的任務(wù)、要求和條件,從全局著眼,用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成的一個整體,來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)。

顯然,符合要求的總體方案通常不止一個,設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)廣開思路,提出若干種不同的方案,然后逐一分析每一個方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn),再加以比較,擇優(yōu)選用。

上述過程如圖62所示。

此外,在選擇過程中,常用框圖表示各方案的基本原理。

框圖一般不必畫得太詳細(xì),只要能說明方案的基本原理即可。6.1.3單元電路的設(shè)計(jì)選定總體方案后,便可畫出詳細(xì)框圖,設(shè)計(jì)單元電路。

單元電路的設(shè)計(jì)方法如下:(1)設(shè)計(jì)單元電路的第一步,是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已選定的總體方案的原理框圖,明確對各單元電路的要求,必要時應(yīng)詳細(xì)擬定出主要單元電路的性能指標(biāo)。

可以用簡略的文字標(biāo)出主要技術(shù)指標(biāo),關(guān)鍵問題要做必要的文字說明。(2)擬定出對各單元電路的要求后,應(yīng)全面檢查一遍,確認(rèn)無誤后便可按照一定的順序設(shè)計(jì)各單元電路的結(jié)構(gòu)形式,選擇元器件和計(jì)算參數(shù)等。

設(shè)計(jì)的順序可以按信號流程的方向逐一設(shè)計(jì)各單元電路,也可以按先難后易或先易后難的順序設(shè)計(jì)各單元電路。應(yīng)當(dāng)選擇哪種形式的電路作為所要設(shè)計(jì)的單元電路呢?最簡單的辦法是從學(xué)過的和所了解的電路中選擇一個合適的電路。

在條件許可時,應(yīng)查閱各種資料,這樣既可以豐富知識,開闊眼界,而且可能找到更好的電路。

例如電路更簡單、成本更低等。6.1.4元器件的選擇和參數(shù)的計(jì)算1.元器件的選擇由于數(shù)字集成電路的功能和種類相當(dāng)多,以至于單元電路的設(shè)計(jì)變得像“點(diǎn)菜譜”那樣容易。

從某種意義上講,數(shù)字電路的設(shè)計(jì)就是選擇最合適的元器件,并把它們組合起來。因此,在設(shè)計(jì)過程中,經(jīng)常遇到選擇元器件的問題,不僅在設(shè)計(jì)單元電路和總體電路及計(jì)算參數(shù)時要考慮選哪些元器件合適,而且在提出方案、分析和比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)時,也要考慮到用哪些元器件以及它們的性能和價(jià)格如何等。

由此可見,選擇元器件是多么重要。那么,怎樣選擇元器件呢?其實(shí)只要弄清楚“需要什么”和“有什么”兩個問題。所謂“需要什么”,是指項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)所選擇的方案,需要什么樣的元器件。

即每個元器件應(yīng)具有哪些功能和什么樣的性能指標(biāo)。所謂“有什么”,是指有哪些元器件,哪些實(shí)驗(yàn)室有,哪些在市場上可以買到,它們的性能各是什么,價(jià)格如何,體積多大等。

電子元器件種類繁多,而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),這就需要我們經(jīng)常關(guān)心元器件的信息和新動向,多查資料。元器件的選擇可以從以下幾點(diǎn)來考慮:(1)應(yīng)熟悉集成電路有哪些種類,最好能夠熟悉若干種典型產(chǎn)品的型號、性能及價(jià)格等,以便設(shè)計(jì)時能及時提出方案,較快地設(shè)計(jì)出單元電路。(2)同一功能的數(shù)字集成電路,例如與非門,可能既有TTL產(chǎn)品,又有CMOS產(chǎn)品。而TTL中有肖特基、低功耗肖特基和先進(jìn)低功耗肖特基等不同的產(chǎn)品,CMOS數(shù)字器件也有普通型和高速型兩種不同的產(chǎn)品。

究竟選哪種產(chǎn)品好呢?在一般情況下可參考表61。

對于某些具體問題究竟是選用TTL器件好,還是選用CMOS器件好,設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)它們各自情況和特點(diǎn)靈活選用。(3)CMOS器件可以與TTL器件混合使用在同一電路中,前者的電源電壓盡量用+5V,以便兩者的高、低電平兼容。

但與用+15V供電的情況相比,用+5V供電時CMOS器件的某些性能較差,例如抗干擾的容限小,傳輸延遲時間長等。

因此,必要時CMOS器件仍需要用+15V電源供電,在這種情況下,CMOS器件與TTL器件之間應(yīng)加電平轉(zhuǎn)換電路。(4)電阻器和電容器是兩種常用的分立元件,它們的種類很多,性能各異。

阻值相同、類型不同的兩種電阻器或容量相同、類型不同的兩種電容器用在同一個電路中的同一個位置,可能效果大不一樣。

此外,價(jià)格和體積也可能相差很大。

因此,設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用電阻器和電容器的主要性能及特點(diǎn),以便設(shè)計(jì)時根據(jù)電路對它們的要求,作出正確的選擇。2.參數(shù)的計(jì)算在設(shè)計(jì)電路的過程中,常需要計(jì)算某些參數(shù)。

計(jì)算參數(shù)的方法主要在于正確運(yùn)用分析方法,弄清電路原理和用好計(jì)算公式。

但設(shè)計(jì)中計(jì)算參數(shù)與做習(xí)題有所不同,習(xí)題中通常將大多數(shù)參數(shù)值作為已知量給出,只要求一兩個參數(shù)值,而且答案一般是唯一的。

而設(shè)計(jì)時,除了對電路性能指標(biāo)的要求外,通常沒有其他已知參數(shù),幾乎全部由設(shè)計(jì)者自己選擇和計(jì)算,而且理論上滿足要求的參數(shù)值一般不是唯一的,給設(shè)計(jì)者提供了選擇的自由,即可根據(jù)價(jià)格、體積和貨源等具體情況靈活選擇。

也就是說,設(shè)計(jì)中的計(jì)算參數(shù)包括“選擇”和“計(jì)算”兩個方面。6.1.5總體電路的畫法設(shè)計(jì)好單元電路后,應(yīng)畫出總體電路圖。

總體電路圖不僅是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和印刷電路板等工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù),而且在生產(chǎn)調(diào)試和維修時也離不開它,因此總體電路圖具有重要作用。在畫正式的總體電路圖前可先畫出總體電路草圖。

這樣可以檢查各單元電路之間的相互連線和配合是否有問題,各單元電路分別畫在什么位置等?？傮w電路圖畫得好,不僅自己看起來方便,而且別人容易看懂,便于進(jìn)行技術(shù)交流。怎樣才能畫好總體電路圖呢?一般說來,主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)畫圖時應(yīng)注意信號的流向,通常從輸入端或信號源畫起,從左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路。

但不要把電路圖畫成很長的窄條,必要時可以按信號流向的主通道依次把各單元電路排列成類似字母“U”的形狀,它開口可以朝左,也可以朝其他方向。(2)盡量把總體電路圖畫在同一張圖紙上。

如果電路比較復(fù)雜,一張圖紙畫不下,則應(yīng)把主電路畫在同一張圖紙上,而把一些比較獨(dú)立或次要的部分(例如直流穩(wěn)壓電源)畫在另一張或幾張圖紙上,并用恰當(dāng)?shù)姆绞秸f明各圖紙上電路連線的關(guān)系。(3)電路圖中所有連線都要表示清楚,各元器件之間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖上直接畫出。

連線通常畫成水平線或豎線,一般不畫斜線。

互通連線的交叉線,應(yīng)在交叉處用圓點(diǎn)標(biāo)出。

還應(yīng)注意盡量使連線短些,少拐彎。

有的可用符號表示,例如地線常用“⊥”表示,集成電路器件的電源一般只要標(biāo)出電源電壓的數(shù)值(例+5V)即可;有的可采用簡便畫法。

總之,以清晰明了、容易看懂為原則,但也要注意電路圖的緊湊和協(xié)調(diào),稀密恰當(dāng),避免出現(xiàn)有的地方畫得很密,有的地方空出一大塊。(4)電路圖中的中大規(guī)模集成電路器件,通常用方框表示。

在方框中標(biāo)出它的型號,在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能名稱和管腳號。(5)集成電路器件的管腳較多,有些管腳的連線是可以選擇的。

例如,用四2輸入與非門74LS00時,可以有許多種接法,遇到這種情況,畫原理電路圖時通常不標(biāo)管腳號。

這樣做可以在實(shí)驗(yàn)布線或設(shè)計(jì)印刷電路板時有較多的靈活性,為合理布線提供了方便。

而布線時應(yīng)隨時把實(shí)際接線的管腳號填寫在原理電路圖上,以便以后調(diào)試或維修。6.1.6審圖在畫出總體電路圖,并計(jì)算出全部參數(shù)以后,至少應(yīng)進(jìn)行一次全面審查。

這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的原理電路中存在一些問題是難免的,經(jīng)過審圖,可以發(fā)現(xiàn)和解決一部分或大部分問題,為實(shí)驗(yàn)打下較好的基礎(chǔ)。

在審圖時應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)先從全局出發(fā),檢查總體方案是否合適,有無問題,再審查各單元電路的原理是否正確,電路形式是否合適。(2)檢查各單元電路之間的電平、時序等配合有無問題。(3)檢查電路圖中有無煩瑣之處,是否可以簡化。(4)根據(jù)圖中所標(biāo)出的各元器件的型號、參數(shù)值等,驗(yàn)算能否達(dá)到性能指標(biāo)。(5)要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全(尤其是CMOS器件),以免實(shí)驗(yàn)時損壞。6.1.7實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)過程包括電路的安裝與調(diào)試。

電路的安裝與調(diào)試在電子工程技術(shù)中占有重要位置,是把理論付諸實(shí)踐的過程,也是對理論設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)、修改,使之更加完善的過程。

實(shí)際上,任何一個好的設(shè)計(jì)方案都是安裝、調(diào)試后經(jīng)過多次修改才得到的。1.安裝安裝之前,一定要對元器件進(jìn)行測試,參數(shù)的性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求,并留有余量。

要準(zhǔn)確識別各元器件的引腳,了解各元器件的使用注意事項(xiàng),以免出錯,造成人為故障,甚至損壞元器件。

設(shè)計(jì)的電路一般是安裝在實(shí)驗(yàn)箱上,為此,還必須熟悉實(shí)驗(yàn)箱的性能特點(diǎn)和使用方法。

安裝步驟一般如下:1)計(jì)算電路中主要元器件的數(shù)量電路安裝之前要計(jì)算電路中使用的元器件的數(shù)量,在滿足電路要求的情況下,盡量節(jié)省元器件的數(shù)目,選擇便宜的產(chǎn)品,以降低成本。2)合理安排主要元器件的位置計(jì)算元器件的數(shù)量之后,下一步要合理安排主要元器件的布局。

這樣才不至于造成因先安裝的電路占的面積過大而給后面電路的安裝造成麻煩,甚至使后面的電路安裝不下只好拆掉重新布局。3)依據(jù)調(diào)試先后順序連接電路電路的安裝順序應(yīng)該按調(diào)試的順序進(jìn)行。

調(diào)試一般采用先分塊調(diào)試,再整個電路聯(lián)調(diào)的方法,因此,安裝也要逐步進(jìn)行。在安裝的同時應(yīng)記錄下所用元器件的引腳號碼,目的是為檢查電路和調(diào)試提供方便。如果電路中同時使用多片相同型號的集成電路,則要標(biāo)明每一片對應(yīng)電路中的位置。4)檢查電路接線是否正確電路安裝完畢后不要急于通電,先要認(rèn)真檢查電路接線是否正確,包括錯線(連線一端正確,另一端錯誤)、少線(安裝時漏掉的線)和多線(連線的兩端在電路圖上都是不存在)。多線一般是因接線時看錯,或在改接線時忘記去掉原來的連線造成的,而檢查時又不易被發(fā)現(xiàn)。

檢查連線的方法有兩種:一種是按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查安裝的線路,即把電路圖上的連線按一定順序在安裝好的線路中逐一對應(yīng)檢查,這種方法容易找出錯線和少線。

另一種是按照實(shí)際線路來對照電路原理圖,把每一個元器件引腳連線的去向依次查清,檢查每個去處在電路圖上是否都存在。

不論用什么方法檢查,一定要在電路圖上把查過的線作出標(biāo)記,還要檢查每個元器件引腳的使用端數(shù)是否與圖紙上的相符。

檢查完連線后,再直觀檢查電源、地線、信號線、元器件引腳之間有無短路,連線處有無接觸不良,二極管、三極管和電解電容等引腳有無錯接。2.調(diào)試調(diào)試包括測試和調(diào)整兩個方面。

測試是在安裝后對電路的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測量,調(diào)整是指在測試的基礎(chǔ)上對電路的參數(shù)進(jìn)行修正,使之滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試的方法有兩種:第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法,也就是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能塊進(jìn)行安裝和調(diào)試,在分塊調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍,最后完成整機(jī)調(diào)試。

對于新設(shè)計(jì)的電路,一般采用這種方法,以便及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。

另一種方法是在整個電路安裝完畢后,實(shí)行一次性調(diào)試。

這種方法一般適用于定型產(chǎn)品和需要相互配合才能運(yùn)行的產(chǎn)品。具體調(diào)試可按下列步驟進(jìn)行:1)通電觀察把經(jīng)過精確測量的電源電壓加入電路(先關(guān)斷電源開關(guān),待接通連線之后再打開電源開關(guān)),電源通電之后不要急于測量數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,首先要觀察有無異?，F(xiàn)象等,包括有無冒煙,是否聞到異常氣味,手摸元器件是否發(fā)燙,電源是否有短路現(xiàn)象等。

如果出現(xiàn)異常,應(yīng)立即關(guān)斷電源,待排除故障后方可重新通電。

然后再測量各元器件引腳電源電壓,而不只是測量各路總電源電壓,以保證元器件正常工作。2)分塊調(diào)試分塊調(diào)試是把電路按功能分成不同的部分,把每部分看作一個模塊進(jìn)行調(diào)試。

在分塊調(diào)試的過程中逐漸擴(kuò)大調(diào)試范圍,最后實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)試。

比較理想的調(diào)試順序是按照信號的方向進(jìn)行,這樣可以把前面調(diào)試過的輸出信號作為后一級的輸入信號,為最后的聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。3)整機(jī)聯(lián)調(diào)在分塊調(diào)試過程中,因逐步擴(kuò)大了調(diào)試范圍,實(shí)際上已經(jīng)完成了某些局部聯(lián)調(diào)工作。下面先要做好各功能塊之間接口電路的調(diào)試工作,再把全部電路接通,就可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)聯(lián)調(diào)。

即把各種測量儀器及電路本身的顯示部分提供的信息與設(shè)計(jì)指標(biāo)逐一對比,找出問題,然后進(jìn)一步修改電路的參數(shù),直到完全符合設(shè)計(jì)要求為止。4)系統(tǒng)精度的測量系統(tǒng)精度是設(shè)計(jì)電路時很重要的一個指標(biāo)。

如果是測量電路,被測元器件本身應(yīng)該是由精度高于測量電路的儀器進(jìn)行測試,然后才能作為標(biāo)準(zhǔn)元器件接入電路校準(zhǔn)精度。

例如,電容量測量電路,校準(zhǔn)精度時所用的電容不能以標(biāo)稱值計(jì)算,而要經(jīng)過高精度的電容表測量其準(zhǔn)確值后,才可作為校準(zhǔn)電容。5)注意事項(xiàng)(1)調(diào)試之前先要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細(xì)加以檢查,避免由于儀器使用不當(dāng)或出現(xiàn)故障時做出錯誤判斷。(2)測量用的儀器的地線和被測電路的地線應(yīng)連在一起。

只有使儀器和電路之間建立一個公共參考點(diǎn),測量結(jié)果才是正確的。(3)調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或修改時,應(yīng)該先關(guān)斷電源,待更換完畢并經(jīng)認(rèn)真檢查后才可重新通電。安裝調(diào)試自始至終要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

出現(xiàn)故障時要認(rèn)真查找故障原因,仔細(xì)作出判斷,切不可一遇故障解決不了就拆掉線路重新安裝。

因?yàn)橹匦掳惭b的線路仍然會存在各種問題,況且原理上的問題不是重新安裝就能解決的。6.1.8設(shè)計(jì)總結(jié)調(diào)試成功后需要寫出一份總結(jié)報(bào)告,按照統(tǒng)一的格式寫出設(shè)計(jì)說明書。

編寫設(shè)計(jì)說明書,能提高編制科技報(bào)告或技術(shù)資料的能力,同時也能使設(shè)計(jì)從理論上進(jìn)一步得到總結(jié)和提高。

總結(jié)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容:(1)題目名稱;(2)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求;(3)總體設(shè)計(jì)方案框圖,并說明各部分的工作原理;(4)單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇;(5)計(jì)算各元器件的主要參數(shù),并標(biāo)在圖中適當(dāng)?shù)奈恢?(6)畫出完整的電路圖和必要的波形圖,并說明主要工作原理;(7)安裝調(diào)試步驟;(8)畫出總體電路圖,列出元器件明細(xì)表;(9)整理性能測試數(shù)據(jù),并分析是否滿足要求,提出改進(jìn)意見;(10)有哪些收獲和體會。下面以簡易數(shù)顯式電容計(jì)為例說明項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方法和步驟。任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理6.2.1電容計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求數(shù)顯式電容計(jì)具有測量速度快、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn),正在逐步取代傳統(tǒng)的電容測試方法。

試設(shè)計(jì)一個簡易數(shù)顯式電容計(jì),其主要指標(biāo)如下:(1)測量范圍為1~999nF。(2)用三位LED數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。(3)具有超量程指示。(4)能自動地進(jìn)行連續(xù)測量。

測量周期為4秒,測量結(jié)果保持2秒左右。(5)提供的主要器材包括:①NE556定時器(雙定時器)、MC14553(三位BCD計(jì)數(shù))、CD4511(BCD七段顯示譯碼器)、CD4001(四2輸入或非門)各一塊。

②

共陰結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管、三極管、二極管、阻容元件等。

③

直流穩(wěn)壓電源、雙蹤示波器。6.2.2電容計(jì)總體設(shè)計(jì)方案及工作原理簡易數(shù)顯式電容計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖63所示,它由CT轉(zhuǎn)換電路、振蕩器、控制電路、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼電路和超量程指示電路六部分組成。圖63中各模塊電路的功能如下:(1)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時時間正比于定時電容C的關(guān)系,因此可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)此功能。(2)多諧振蕩器產(chǎn)生周期性矩形脈沖,讓計(jì)數(shù)器在CT轉(zhuǎn)換期間計(jì)數(shù)。

如果Cx大,則Tx大,那么在Tx期間計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)就多,而計(jì)到的脈沖數(shù)多,就代表Cx大。

只要調(diào)整好振蕩器的振蕩頻率,可以使計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)(用十進(jìn)制表示)就是被測電容的電容量(nF)數(shù)。(3)計(jì)數(shù)器是三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(4)顯示譯碼電路用于把計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來。(5)超量程指示電路的作用是當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)超過999時,產(chǎn)生一個指示信號,即代表被測電容的電容量超過了999nF,此時顯示器的讀數(shù)已不是Cx的值。(6)控制電路的作用是產(chǎn)生控制各部分電路正常工作的時序信號。

該電路用下降沿觸發(fā)CT轉(zhuǎn)換電路(單穩(wěn)態(tài)電路),用上升沿使計(jì)數(shù)器清零和超量程指示電路復(fù)位。

測量過程的時序圖如圖64所示。(7)設(shè)計(jì)時采用CMOS集成電路,電源電壓用+6V。任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)6.3.1CT轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時時間正比于定時電容的關(guān)系,即tW≈1.1RC,因此,在這里CT轉(zhuǎn)換電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用NE556其中的一個555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖65所示,圖中R2和Cx為定時電阻、電容。CT轉(zhuǎn)換電路波形如圖66所示,圖中Tx≈1.1R2Cx。在電路中加入了由C1和R1組成的微分電路,這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入VI1

的下降沿觸發(fā),定時時間與VI1

的低電平寬度無關(guān)?？紤]到定時精度和測量速度,設(shè)定測量范圍內(nèi)Tx的時間為0.1ms~0.1s,由于電路測量電容的范圍為1~999nF,則可通過計(jì)算取R2=91kΩ。6.3.2多諧振蕩器的設(shè)計(jì)多諧振蕩器用NE556中的另一個555定時器構(gòu)成,電路如圖67所示。多諧振蕩器的振蕩周期為

在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)N為根據(jù)設(shè)計(jì)要求,N就是被測電容Cx的電容量(nF)數(shù),則得即振蕩器的振蕩頻率約為10kHz。6.3.3計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)1.計(jì)數(shù)器的選用計(jì)數(shù)器采用MC14553,它是三位BCD加法計(jì)數(shù)器,集成電路引腳圖如圖68所示,其功能表如表62所示。2.MC14553功能說明MC14553集成電路由三個同步級聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器、三個鎖存器以及分配鎖存器的多路選擇器組成。

此外,還有時鐘輸入端的整形電路、分配多路選擇器的時序掃描電

路

和

振

蕩

器

電

路,以

及

用

于

顯

示

控

制

的

數(shù)

據(jù)

選

擇

輸

出

組成。MC14553的主要引腳功能如下:(1)3腳和4腳CIA、CIB

為內(nèi)部振蕩器的外接電容端子。

振蕩器提供多路數(shù)據(jù)選擇器的低頻掃描時鐘脈沖,振蕩器的振蕩頻率取決于連接在3腳和4腳的外接電容的大小,若需外部時鐘,也可以從4腳處引入。(2)2、1、15腳

為顯示驅(qū)動掃描時序輸出,低電平有效。

振蕩器產(chǎn)生的掃描時鐘信號與三個位選擇輸出信號的時序關(guān)系如圖69所示。(3)5、6、7、9腳QD、QC、QB、QA為8421BCD碼輸出端,QD為最高位。(4)13腳R為復(fù)位端,高電平有效。(5)11腳INH為時鐘禁止端,當(dāng)INH為1時,禁止時鐘脈沖“CL”輸入BCD計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器保持禁止前的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)。(6)10腳LE為鎖存器的鎖存允許端,當(dāng)LE為1時,鎖存器呈鎖存狀態(tài),保持原有鎖存器內(nèi)的信息。

若需將鎖存器內(nèi)的信息清除,則在鎖存器LE端加0電平。(7)14腳OF為計(jì)數(shù)器溢出輸出端,計(jì)數(shù)器每逢輸入第1000個時鐘脈沖的上升沿時,溢出輸出端OF輸出一個完整的脈沖,該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。3.計(jì)數(shù)器電路的連接根據(jù)CT轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換期間的輸出是高電平,以及要用來控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),可從表62灰色的三行中看出,將CT轉(zhuǎn)換電路的輸出加到12腳CL端,計(jì)數(shù)脈沖從11腳INH端引入,所以與多諧振蕩器輸出相連。13腳計(jì)數(shù)器復(fù)位端R,與控制電路輸出相連。14腳計(jì)數(shù)器溢出輸出端OF,與超量程指示電路相連。

計(jì)數(shù)器與其他電路的連接電路見6.3.4節(jié)的圖612。6.3.4顯示譯碼電路的設(shè)計(jì)1.顯示譯碼器的選用顯示譯碼器選用CD4511。CD4511是用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管的BCD碼七段顯示譯碼器,其引腳排列圖如圖610所示。

其中,D~A為代碼輸入端,輸入8421BCD碼;為消隱輸入端,低電平有效;為燈測試輸入端,低電平有效;LE為數(shù)據(jù)鎖存輸入端,高電平有效;Ya~Yg為輸出端,高電平有效,可驅(qū)動共陰數(shù)碼顯示器。

由表63可知,輸出Ya~Yg也是一種多位二進(jìn)制代碼,稱為字段碼。2.顯示譯碼電路計(jì)數(shù)和顯示譯碼電路如圖612所示,計(jì)數(shù)電路輸出待測電容容量的4位BCD碼,然后通過顯示譯碼電路,將待測電容容量在三位數(shù)碼管上顯示出來。

其中顯示譯碼電路為掃描顯示電路(也稱為動態(tài)顯示電路),掃描顯示的基本原理是利用了人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼管的“同時”顯示。在圖612所示電路中,由連接于3腳(C1A)和4腳(C1B)之間的電容C4來決定顯示掃描頻率。C4越小,掃描頻率越高,顯示越穩(wěn)定;反之,掃描頻率越低,數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

故C4不能取得太大,在本項(xiàng)目中,C4容量選擇為103pF。3.限流電阻的選取顯示譯碼電路中的限流電阻、三極管的基極電阻和三極管的計(jì)算與選擇可按圖614所示的方法進(jìn)行。

設(shè)圖中三極管Q工作在放大區(qū),則實(shí)際的顯示譯碼電路中,一個三極管要驅(qū)動一只數(shù)碼管,即要驅(qū)動七只發(fā)光二極管,而且在掃描顯

示

中,數(shù)

碼

管

的

每

段

電

流

要

大

一

些,設(shè)

每

段

電

流

為15mA,基

極

電

流

由MC14553的輸出驅(qū)動電流限制,設(shè)為1.3mA。

這樣,可算得R=133Ω,取130Ω,RB=1kΩ,β=15×7/1.3≈80,在

本

項(xiàng)

目

中,選

用

的

三

極

管

的β值

要

大

于80,ICM

要

大

于105mA。6.3.5超量程指示電路的設(shè)計(jì)超量程指示電路如圖615所示,其中由CD4001中的兩個或非門構(gòu)成的是一個基本RS觸發(fā)器,輸入高電平有效。6.3.6控制電路的設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)顯式電容計(jì)的工作原理,控制電路實(shí)際上是一個低頻信號發(fā)生器,振蕩周期為4秒,它的精度和穩(wěn)定度要求不高。

因此,可用如圖617所示的電路構(gòu)成,圖中的兩個或非門由CD4001的另外兩個或非門組成,它們連接成非門電路,和R6、R7、C7構(gòu)成非對稱式多諧振蕩器。

該振蕩器振蕩周期的估算式為由于MC14553在高電平清零時,位選擇輸出端

都為1,將使顯示器消隱。如果清零信號的高電平持續(xù)時間較長,會看到消隱現(xiàn)象。

為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,控制電路中通過C2和R3組成的微分電路把清零信號加到計(jì)數(shù)器清零端。

這樣,計(jì)數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零,即使清零的高電平持續(xù)很短,靠人眼的視覺殘留效應(yīng),就不會覺察到有消隱現(xiàn)象。任務(wù)6.4安

裝

與

調(diào)

試6.4.1總原理圖及元器件清單根據(jù)設(shè)計(jì)好的單元電路繪制電路總原理圖如圖618所示,其PCB圖如圖619所示,整理出簡易數(shù)顯式電容計(jì)元器件清單如表64所示。

表中1個104瓷片電容和電解電容為待測