[優(yōu)秀畢業(yè)論文]基于CMOS集成電路來實現(xiàn)電容測試儀的設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 本課題的設(shè)計電路主要采用 cmos 集成電路來實現(xiàn)電容測試儀的設(shè)計。 電容測試儀主要由時鐘振蕩電路，控制電路，閘門電路，計數(shù)電路，譯碼 驅(qū)動電路和顯示電路六部分組成。它的核心思想就是利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 暫態(tài)的時間來控制多諧振蕩器的輸出的脈沖的個數(shù) ,然后通過七段數(shù)碼管 譯碼驅(qū)動顯示。 本課題主要研究的是電容測試儀的精度和可靠性。電容測試儀可以測量 三位數(shù)字顯示，量程可達到 1 到 999，測量時間小于等于 2 秒，精度可達 到10。測量電容值的精度高，成本較低，而且維修方便，應(yīng)用也比較廣 泛。 關(guān)鍵詞 測試儀；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧振蕩器； 譯碼驅(qū)動顯示電路 本科畢業(yè)

2、設(shè)計（論文） i abstract now,electronics technique of development very quick, gao xins technique change with each passing day.especially appropriation integrated circuit design technique of gradually progress with perfect, currently numeral electronics technique already broadly application at the calculato

3、r, auto control, electronics measure each realms such as appearance and correspondence etc.the history current continuously flow out to move,electronics science technique of continuously development,more and more of electronics product application in our daily lifes,the electronics product has alrea

4、dy become the need of our consumer,but the topic of this topic is a simple electric capacity test instrument. also measure instrument with many electronics in the teaching,this topic be main research of is an electric capacity test instrument of accuracy and credibility.the design of this topic work

5、 credibility, measure electric capacity value of accuracy gao, the cost be lower, and maintain convenience.this topic is main adoption cmos integrated circuit to come to realization electric capacity test instrument of design, electric capacity test instrument main is flap by the clock to concuss el

6、ectric circuit, control electric circuit, gateway electric circuit, count electric circuit, translate code to drive electric circuit and manifestation electric circuit six part constitute.can keep a display of view to be measured permit of electric capacity a value.numeral measure appearance not onl

7、y ratio imitate diagraph appearance accuracy gao,the function be strong, and easy realization measure instrument of the intelligence turn.particularly is medium,large-scale with super large scale integration of development, numeral electronics key words test instrument logic electric circuit count e

8、lectric circuit translate the code drive manifestation electric 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） ii circui 目 錄 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 緒論 .1 1.1 課題背景.1 1.2 技術(shù)指標.1 1.3 立題的目的和意義.1 第 2 章 課題方案的選擇 .2 2.1 方案一.2 2.2 方案二.3 第 3 章 系統(tǒng)電路設(shè)計 .5 3.1 系統(tǒng)電路工作原理圖.5 3.2 系統(tǒng)電路的工作原理.5 第 4 章 單元電路設(shè)計 .7 4.1 時鐘脈沖振蕩電路.7 4.1.1 555 集成定時器的組成 .8 4.1.2

9、555 時基電路的基本功能 .8 4.1.3 555 構(gòu)成時鐘脈沖振蕩電路 .9 4.1.4 時鐘脈沖振蕩電路的參數(shù)計算 .12 4.2 控制電路.13 4.2.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點 .15 4.2.2 單穩(wěn)態(tài)控制電路工作原理 .15 4.2.3 rc 微分電路 .16 4.2.4 cc4069 六反相器 .18 4.2.5 主要參數(shù)的估算 .19 4.2.6 控制電路元器件參數(shù)計算 .21 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） iii 4.3 閘門電路.22 4.3.1 閘門電路的工作原理 .22 4.3.2 cc4081 四 2 輸入與門 .22 4.4 計數(shù)譯碼驅(qū)動顯示電路.24 4.4.1 計數(shù)電路

10、 .24 4.4.2 譯碼驅(qū)動電路 .28 4.4.3 數(shù)碼顯示電路 .31 第 5 章 整機電路的安裝與調(diào)試 .37 5.1 整機電路的安裝.37 5.2 注意事項.37 5.3 整機電路的布線與接地問題.38 5.3.1 布線的原則 .38 5.3.2 關(guān)于接地問題 .38 5.4 整機電路的調(diào)試.39 5.5 coms 的使用注意事項.39 結(jié) 論 .42 致 謝 .43 參考文獻 .44 附錄 1 譯 文 .45 附錄 2 英文參考文獻 .47 附錄 3 系統(tǒng)電路原理圖 .51 附錄 4 元器件表 .52 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 0 第 1 章 緒論 1.1 課題背景 2

11、1 世紀數(shù)字電路的發(fā)展速度十分迅速。尤其是 ic 電路的發(fā)展更是如此。 ic 芯片功能的發(fā)展是越來越完善，電路越來越簡單化。這也證明了我國在不 斷的發(fā)展為數(shù)字化的國家，但技術(shù)卻比以前大有提高，芯片的成本理所當然 要比以前低。而我們用數(shù)字芯片構(gòu)成的電路要比分立元件構(gòu)成的電路大大的 降低成本。且相對來說更是要比分立元件構(gòu)成的電路好調(diào)試、容易實現(xiàn)多種 功能。 本課題是簡易電容測試儀 ，主要考慮到它的成本便宜，可靠性高，實 用性強等特點。由于我對數(shù)字電路較為感性趣，同時電容測試儀也是教育事 業(yè)的教學必備工具。電容測試儀測試容量準確，極易使用，可對電解電容的 質(zhì)量進行篩選。從而我們在做課程設(shè)計、對講機的

12、組裝、收音機的組裝還有 本次的畢業(yè)設(shè)計都會用到電容測試儀，而本課題正是因為為了提高教學的質(zhì) 量和為那些愛好電子制作的朋友們而設(shè)計的。在電子行業(yè)中這是經(jīng)常使用的 測量儀器，尤其是我們在電子制作中更是如此。本課題主要是應(yīng)用數(shù)字 ic 芯 片搭接，它的主要功能是測量電解電容的容量，用數(shù)字電路搭接可達到生動 直觀的效果。 1.2 技術(shù)指標 1.要求能有三位數(shù)字顯示，量程為 1999uf。 2.測量時間2s。 3.電解電容測量值的精度為10。 1.3 立題的目的和意義 21 世紀數(shù)字電路的發(fā)展十分迅速,高新技術(shù)日新月異,本課題的目的和意 義主要是為了教育事業(yè)提供教學方便,而本電路主要采用集成芯片來制作的

13、, 可直觀的顯示電容的容量. 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 2 章 課題方案的選擇 在確定電路的 3 項技術(shù)指標后,我查詢了許多的相關(guān)電子資料 ,并且從 中借鑒出了兩種設(shè)計方案。其中這兩種方案都是在以往的學習過程中所學 到的并能熟練掌握的專業(yè)知識。 2.1 方案一 鑒于許多的電子書籍雜志當中的介紹 ,并且與實際電路進行比較，我尋 找到一套設(shè)計方案，以下是方案一的詳細介紹。 方案一主要采用的是數(shù)字電路部分。電路中采用了以一個單穩(wěn)態(tài)振蕩電 路和多諧振蕩電路為核心 ,加上計數(shù)器電路、譯碼驅(qū)動器電路、微分電路、 led 數(shù)碼顯示電路，就構(gòu)成了題目所要求的各項功能。電路的調(diào)試時間相對 要長一些,主要是能

14、夠?qū)㈦娊怆娙莸娜萘空{(diào)試出來，這樣電路才能夠順利的 實現(xiàn)各項指標。圖 2-1 就是方案一的原理框圖 : 圖 2-1 方案一框圖 cx 信信信信 信信信信 信 信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 t 信信信信 w 信信信信 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 由于方案一,需要將電路按照其工作條件和布局分配逐級連接好 ,在通 過長時間的調(diào)試就可以成功。在時間的需求上面也比單片機多 ,同時此方 案所用到的知識都是數(shù)電、模電理論基礎(chǔ)，這會讓我們對數(shù)電、模電理論 基礎(chǔ)知識的掌握有了更深一步的加深。在電路的整個設(shè)計過程中 ,我決定 采用此方案。因為 ,我想既然是畢業(yè)設(shè)計 ,要對自己所學的知識和實踐動

15、手 能力在此次設(shè)計中得到更深一步的提高，也是對知識重溫的過程，此方案 最大的難點就是電路的設(shè)計和調(diào)試，但我相信通過我不懈的努力一定會順 利完成此次方案，所以我選擇了對自己知識體系有所完善的方案，并在整 個電路的設(shè)計過程中 ,都是以此方案為核心設(shè)計和調(diào)試的，并最終成功的實 現(xiàn)了電路設(shè)計初期的各項指標，完成了此次畢業(yè)設(shè)計的要求。 2.2 方案二 圖 2-2 方案二框圖 但是利用方案二這個電路雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)電路所設(shè)計的功能 ,但是在 電路的制作上面所需要花費的時間和精力需要很多，而且使用不方便，測 得電容的容量不夠直觀，雖然框圖簡單，但是在時間上的付出也需要很多， 而且電測得容量的精度不高，雖然都是

16、由單穩(wěn)態(tài)電路和多諧振蕩電路為核 心，其測量電容的范圍很小，不能滿足教學的使用以及電子制作者的需求， cx 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 信信信信 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 這樣電路就不會體現(xiàn)出電路的優(yōu)點。為此，我選擇方案一來作為本次的畢 業(yè)設(shè)計，同時這也是對我三年來專業(yè)知識的一個總結(jié)。 本章小結(jié) 本章主要介紹的是課題方案選擇，并詳細的比較了兩個方案的優(yōu)點和缺 點。以便在實際當中得到廣泛的應(yīng)用，為本次的設(shè)計選擇最佳的方案。 第 3 章 系統(tǒng)電路設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 3.1 系統(tǒng)電路工作原理圖 系統(tǒng)電路原理圖見附錄 3。 3.2 系統(tǒng)電路的工作原理 系統(tǒng)電路

17、的工作原理如：圖 3-1 是簡易電容測試儀的原理框圖，它是由 時鐘脈沖振蕩電路控制電路閘門電路計數(shù)電路譯碼驅(qū)動電路數(shù)碼 顯示電路六部分組成。而時鐘脈沖振蕩電路實質(zhì)就是多諧振蕩器，控制電路 主要是由微分電路和單穩(wěn)太觸發(fā)器構(gòu)成。 當接通 10v 直流電源時，時鐘脈沖振蕩電路產(chǎn)生 2ms 的矩形脈沖，在微 動開關(guān) s 沒有按下時，控制電路的輸出信號為低電平（即穩(wěn)定狀態(tài)） ，經(jīng)過 g2 非門變?yōu)楦唠娖?，對計?shù)電路進行清零工作，同時譯碼驅(qū)動電路的鎖存功能 無效，此時顯示電路顯示為 0 字型。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個 暫穩(wěn)態(tài)，而暫穩(wěn)態(tài)的時間主要由 r1 和被測電容即 t=r1（時間常數(shù)） x c

18、 x c 決定的，如果將其中的電阻 r1 固定不變，則輸出的暫穩(wěn)態(tài)時間與被測電容 成正比。當瞬間按下微動開關(guān) s 時，這時使微分電路瞬間產(chǎn)生一個正的尖 x c 峰脈沖，然后經(jīng)過 g1 非門變?yōu)樨摰募夥迕}沖，為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的腳提供一 個負的觸發(fā)脈沖，這時單穩(wěn)態(tài)電路的腳輸出高電平，而此時的信號就稱為 控制信號，就將其 g3 的閘門打開，使時鐘振蕩電路產(chǎn)生周期為 2ms 的矩形脈 沖通過閘門電路，作為 cc4518（ic6）的脈沖信號，同時單穩(wěn)態(tài)電路的腳輸 出的高電平經(jīng)過 g2 非門變?yōu)榈碗娖剑藭r的 cc4511（ic1）cc4511（ic2） cc4511（ic3）芯片的清零端 r 均無效，而

19、cc4518（ic4）cc4518（ic5） cc4518（ic6）的鎖存端 le 也均無效。 cc4518 是雙十進制同步計數(shù)器，是由二個獨立的計數(shù)器單元構(gòu)成，有二 個時鐘輸入端 cp 和 en，如果采用時鐘上升沿觸發(fā)，則信號由 cp 端輸入， 并使 en 端為高電平；如果采用時鐘下降沿觸發(fā)，則由 en 端作為信號輸入端， 并使 cp 端為低電平。當 cc4518（ic6）cp 脈沖計到第十個脈沖的上升沿時， 此時 qd1 為低電平，作為 cc4518（ic5）en 端的時鐘脈沖信號來進行計數(shù)， 當 cc4518（ic5）的 en 端計到第十個脈沖的下降沿時，qd2 為低電平，這 時作為 c

20、c4518（ic4）芯片 en 端的脈沖信號進行計數(shù)，然后分別從 cc4518（ic4）cc4518（ic5）cc4518（ic6）的 qdqcqbqa 端 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 輸出信號，并送入對應(yīng)的 cc4511（ic1）cc4511（ic2）cc4511（ic3） 的輸入端 dcba 端。經(jīng)過譯碼驅(qū)動電路后在經(jīng)過 300 的電阻送入到 數(shù)碼顯示電路，從而顯示出電容的容值。這時單穩(wěn)態(tài)輸出的暫穩(wěn)態(tài)自動翻轉(zhuǎn) 為穩(wěn)定狀態(tài)（即低電平） ，將閘門電路 g3 關(guān)閉，停止由時鐘脈沖振蕩電路產(chǎn) 生周期為 2ms 的矩形脈沖通過，同時對計數(shù)電路進行清零和對譯碼驅(qū)動電路 鎖存。當測下一個電容的容量時，其工

21、作過程重復(fù)同上闡述。簡易電容測試 儀整機電路的原理圖見附錄 3。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)電路的原理圖以及工作原理，同時也是此次設(shè)計的 核心內(nèi)容。它將各單元電路的作用及工作原理進行了詳細的描述，使之對整 個設(shè)計的工作過程有了更清晰的認識與了解。 第 4 章 單元電路設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 4.1 時鐘脈沖振蕩電路 時鐘脈沖振蕩電路的實質(zhì)就是多諧振蕩器構(gòu)成的，其主要作用產(chǎn)生時鐘 脈沖信號，然而產(chǎn)生時鐘脈沖的方法也很多。由于本題目要求的精度很高， 這里選用 555 定時器組成多諧振蕩器來實現(xiàn)時鐘脈沖的產(chǎn)生。因為本電路采 用 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩電路，不但成本比較低，而且實現(xiàn)起來比

22、較方便。 它的功能靈活，使用方便，帶負載能力強。利用它能方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等，這些觸發(fā)器應(yīng)用與數(shù)字系統(tǒng)中，在實現(xiàn) 脈沖的產(chǎn)生、整形、變換、檢測和控制等方面都得到廣泛的應(yīng)用。下面詳細 介紹 555 定時器的電路的組成及基本功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示。 555 實基電路是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當?shù)淖枞菰?就可以方便的構(gòu)成脈沖產(chǎn)生的整形電路，在工業(yè)控制定時電子樂器及防盜報 警等方面應(yīng)用很廣。 圖 4-1 555 集成定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4.1.1 555 集成定時器的組成 1.基本 rs 觸發(fā)器 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 由兩個與非門組成，是

23、專門設(shè)置的可從外部進行置 0 的復(fù)位端。當r =0 時，使=0,=1。rqq 2.比較器 a1、a2 是兩個電壓比較器。比較器有兩輸入端，分別有+號和-號，如果 用和表示相應(yīng)輸入端上所加的電壓，則當時其輸出為高電平， uuuu 時輸出為低電平，兩個輸入端基本上不向外電路索取電流，即輸入 uu 電阻趨近于無窮大。 3.分壓器 三個阻值均為 5的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器（555 也因此而得名） ，k 為比較器 a1 和 a2 提供參考電壓，a1 之+端=2vcc/3a2 之- 端 u =1vcc/3。如果在電壓控制端 co 另加控制電壓，則可改變 a1a2 的參考 u 電壓。工作中不使用 co 端時

24、，一般都通過一個 0.01uf 的電容接地，以旁路 高頻干擾。 4.晶體管開關(guān)和輸出緩沖器 晶體管構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。當端為 0 時截止為 1 td qq td 時導通。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器 g3，其作用是提高定時器的 td 帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。 綜上所述可知，555 定時器不僅提供了一個復(fù)位電平為 2vcc/3置位電 平為 vcc/3且可通過端直接從外部進行置 0 的基本 rs 觸發(fā)器，而且還給r 出了一個狀態(tài)受該觸發(fā)器端控制的晶體管開關(guān)，因此使用起來極為靈活。q 4.1.2 555 時基電路的基本功能 表 4-1 所示是 555 定時器的功能表，它全面地表

25、示了 555 的基本功能。 表 4-1 555 頂時期的功能表 當=0 時，=1，輸出電壓為低電平，飽和導通。rq uu olotd 當=12vcc/3vcc /3 時，a1 輸出低電平、a2 輸出高電r uthutr 平,=1=0，飽和導通。qq uu olotd 當=1vcc/3 時，a1a2 輸出均為高電平，基本r uthutr 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 rs 觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此也保持原來狀態(tài)不變。 uotd 當=12vcc/3vcc/3 時，a1 輸出高電平，a2 輸出低電平，r uthutr =0=1，截止。qq uu olotd 555 定時器的電源電壓范圍較大，雙極型電

26、路 vcc=4.516v，輸出高電 平不低于電源電壓的 90%，帶拉電流和灌電流負載的能力可達 200ma；cmos 電 路 vdd=318v，輸出高電平不低于電源電壓的 95%，帶拉電流負載的能力為 1ma，帶灌電流負載的能力為 3.2ma。 4.1.3 555 構(gòu)成時鐘脈沖振蕩電路 本課題主要用到多諧振蕩器。電路原理圖如圖 4-2 所示。該電路的工作 過程如下： 圖 4-2 時鐘脈沖發(fā)生電路 如圖 4-2 所示是用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。rp、r4、c2 是外接定 時元件，定時器腳、腳連接起來接，內(nèi)部晶體三極管集電極腳接到uc rp、r4 的連接點。 rp 5.6k 12 3 4

27、 5 6 78 ne555 r4 12k vdd c3 0.01uf c2 0.1uf 信信信信 2vdd/3 vdd/3 t t t 1 2 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 4-3 時鐘脈沖發(fā)生電路的工作波形 1.工作原理：接通電源前電容 c2 上無電荷，所以接通電源瞬間，c2 來不 及充電，故=0 比較器 a1 輸出為 1、a2 輸出為 0，基本 rs 觸發(fā)器 uc =1、=0、截止。qq uu ohotd （1）暫穩(wěn)態(tài) =1、=0、截止，是電路的一種暫穩(wěn)態(tài)，因為在這種狀qq uu ohotd 態(tài)下，有一個電容 c2 充電、緩慢升高的漸變過程在進行著，充電回路是 uc 地，時間常數(shù)是=（r4

28、+rp）c2。24crrpvcc1 （2）自動翻轉(zhuǎn) i 當電容 c2 充電，上升到 2vd/3 時，比較器 a1 輸出跳變?yōu)?0，基本 rs uc 觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到 0 零狀態(tài)，=0、=1、飽和導通。qq uu olotd （3）暫穩(wěn)態(tài) =0、=1、飽和導通，是電路的另一種暫穩(wěn)態(tài)，因為在qq uu olotd 這種狀態(tài)下，同樣有一個電容 c2 放電、緩慢下降的漸變過程在進行著，放 uc 電回路是地，時間常數(shù)是=r4c2（忽略飽和導通電 d trc422 td 阻 rces） 。 （4）自動翻轉(zhuǎn) 當電容 c2 放電，下降到 1vcc/3 時，比較器 a2 輸出跳變?yōu)?0，基本 rs uc 觸發(fā)器

29、立即翻轉(zhuǎn)到 1 狀態(tài)，=1、=0、截止即暫穩(wěn)態(tài)。qq uu ohotd 在暫穩(wěn)態(tài)，電容 c2 又充電、再上升，不難理解，接通電源之后， uc 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)振蕩，于是在輸出端就產(chǎn)生了矩形脈 沖。 2.振蕩頻率的估算： 由工作原理分析知道，電路穩(wěn)定工作之后，電容 c2 充電和放電的過渡過 程總是周而復(fù)始重復(fù)進行的。 （1）電容 c2 充電時間，即暫穩(wěn)態(tài)維持時間的估算t1 電容充電時，時間常數(shù)=（rp+r4）c2，起始值(0+)=vcc/3,終了值 1 uc （）=vcc、轉(zhuǎn)換值（）=2vdd/3，代入過渡過程計算公式進 ucuc 1w t2cr 行計算

30、： )()( )0()( ln 1 11 tuu uu t cc cc w 2ln 3 2 3 1 ln 11 vddvdd vddvdd (4-1)2)4(7 . 0crpr （2）電容 c2 放電時間即暫穩(wěn)態(tài)維持時間的估算,電容放電時，時間 t2 常數(shù)，起始值（0+）=2vdd/3，終了值（）=0，轉(zhuǎn)換值（24 2 cr ucucuc ）=vdd/3，代入 rc 過渡過程公式進行計算： t2 )()( )0()( ln 2 22 tuu uu t cc cc vdd vdd 3 1 0 3 2 0 ln 2 (4-2)247 . 02ln 2 cr 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 （3）電路振

31、蕩頻率 f 振蕩周期：t 247 . 02)4(7 . 0 21 crcrrp tt t (4-3)2)42(7 . 0crrp 振蕩頻率： f (4-4) 2)42( 43 . 1 2)42(7 . 0 11 crrpcrrpt f 4.1.4 時鐘脈沖振蕩電路的參數(shù)計算 因為時鐘脈沖周期 t=0.693（rp+2r4）c2，是在忽略了 555 定時器 腳的輸入電流條件下得到的，而實際上腳約有 10ua 的電流流入。因此，為 了減小該電流的影響，應(yīng)使流過 r4，rp 的電流最小值大于 10ua。 又知要求 cx=999uf 時，tw=2s，所以需要時鐘脈沖在 2s 內(nèi)產(chǎn)生 999 個 脈沖，

32、即時鐘脈沖周期為2ms。從圖 4-3 可知：t (4-5)ma tt t2 21 如果選定脈沖占空比為 0.6，可得：q (4-6)q6 . 0 21 1 tt t (4-7)msms t 2 . 126 . 0 1 (4-8)ms t t t 8 . 02 . 12 12 從圖 4-3 可以看出，當 c2 上電壓達到 2vdd/3 時，流過 r4，rp 的電流最 小，所以 4 3 2 min rrp vddvdd ir 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 (4-9) )4(3rrp vdd 取,則ma ir . 2 . 0 min (4-10) krpr 7 . 16 2 . 03 10 4 (4-

33、11)uf rrp t c 1 . 0 )4(693 . 0 1 2 又因為 24693 . 0 2 cr t k c t r544.11 101 . 0693 . 0 108 . 0 2693 . 0 4 6 3 2 (4-12) 故 krp156 . 5 544.11 7 . 16 取標稱值 。,1 . 5krpkr124 為了調(diào)整電路方便,可選用 5.6k 的電位器。rp 4.2 控制電路 控制電路的主要功能是根據(jù)被測電容的容量大小與其成正比的控制脈 x c 沖寬度。實現(xiàn)的方法有多種，如用多諧振蕩器，利用作為振蕩電容從而影 x c 響振蕩周期，產(chǎn)生出對應(yīng)的控制脈沖；在如采用單穩(wěn)態(tài)電路，由

34、影響暫穩(wěn) x c 態(tài)的時間，從而形成對應(yīng)寬度的控制脈沖。這里著重介紹由單穩(wěn)態(tài)組成的控 制電路。圖 4-4 所示單穩(wěn)態(tài)控制電路的原理圖。該電路工作原理如下： 當被測電容接到電路中之后，只要按一下微動開關(guān) s，電源電壓 vdd x c 經(jīng)微分電路 c1r2 和反相器送給 555 定時器的觸發(fā)端一個負脈沖信號，使 單穩(wěn)態(tài)電路由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，其輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?。該高電?控制閘門電路使時鐘脈沖信號通過，送入計數(shù)器計數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的時間 ，然后單穩(wěn)態(tài)電路又回到暫穩(wěn)態(tài)，其輸出端變?yōu)榈碗娖剑瑥?xw crt11 . 1 而封鎖閘門、停止計數(shù)?？梢?，控制脈沖寬度與成正比，如果 r1 固 w t x cr

35、1 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 定不變，則計數(shù)時鐘脈沖的個數(shù)將與的容量值成正比。因此，可以達到測 x c 電容量的要求。單穩(wěn)態(tài)控制電路的工作波形如圖 4-5 所示，其中反相器采用 的是 cc4069 芯片來實現(xiàn)的，詳細內(nèi)容見 4.2.4。 圖 4-4 單穩(wěn)態(tài)控制電路原理圖 圖 4-5 單穩(wěn)態(tài)控制電路的工作波形 4.2.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點 第一，它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)；第二，在外來觸發(fā)脈沖的作 用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；第三，暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時間后， 將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)狀態(tài)時間的長短，與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定 r1 18k r2 10k r3 1k c1 1uf c

36、0 0.01uf 1 cx s vdd vdd 1 3 2 4 5 6 8 7 ne555 g1 cc4069 信信信信 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 與電路本身的參數(shù)。這種電路在數(shù)字系統(tǒng)和裝置中，一般用于定時（產(chǎn)生一 定寬度的方波） 、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的脈沖）以 及延時（將輸入信號延時一定時間之后輸出）等。如圖 4-4 所示是用 555 定 時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。r1、cx 是定時元件；是輸入觸發(fā)信號，下降沿 i u 有效，加在 555 的端（腳） ；是輸出信號（腳） 。tr o u 4.2.2 單穩(wěn)態(tài)控制電路工作原理 1.沒有出發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)： 無觸發(fā)信號

37、即為高點平時，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)=0，=1， i uqq 為低電平，飽和導通。若接通電源后，555 定時器基本 rs 觸 o u d t ihi uu 發(fā)器是處于 0 狀態(tài)，即=0，=1、飽和導通，則這種狀態(tài)將qq oho uu d t 保持不變。 若接通電源后，555 定時器基本 rs 觸發(fā)器是處于 1 狀態(tài)，即 ihi uu =1，=0、截止，則這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時間之qq oho uu d t 后，電路會自動地返回到穩(wěn)定狀態(tài)。因為截止，電源 vdd 會通過 r1 對 d t 進行充電，將漸漸升高，到上升到 2vdd/3 時，比較器 a1 輸出 x c c u uu thc 0，

38、將基本 rs 出發(fā)器復(fù)位到 0 狀態(tài)，=0、=1、飽和導通，qq olo uu d t 電容通過迅速放電，使,即電路返回到穩(wěn)定。 x c d t0 c u 2.下降沿觸發(fā) ui 當下降沿到來時,電路被觸發(fā),立即由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)=1、=0、 ui qq 、截止。因為由高點平跳變到低點平時，比較器 a2 的輸 uu oho d t uu tri 出跳變?yōu)?0，基本 rs 觸發(fā)器立即被置成 1 狀態(tài)，即暫穩(wěn)態(tài)。 3.暫穩(wěn)態(tài)的維持時間 在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中有一個定時電容充電的漸變過程，充電回路 x c 地，時間常數(shù)為。電容上電壓上升到 xcc crv1 x cr1 1 uu thc 2vdd/3 以

39、前，顯然電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。 4.自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 隨著充電過程的進行，逐漸升高，當上升到 2vdd/3 x c thc uu thc uu 時，比較器 a1 輸出 0，立即將基本 rs 觸發(fā)器復(fù)位到 0 狀態(tài)，即=0、=1、qq 、飽和道通，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。 olo uu d t 5.恢復(fù)過程 當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，定時電容將通過飽和導通的晶體三極管放電，時 x c d t 間常數(shù)為,(是的飽和導通電阻，很小)，經(jīng) 35t2后， xcesc rt 2ces r d t 放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)， x c0 thc uu 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可

40、接收新的輸入觸發(fā)信號。 4.2.3 rc 微分電路 微分電路是脈沖電路中常用的一種波形變換電路，它能把矩形脈沖波變 換成寬度很窄的一對正負尖峰脈沖波。而在本電路中只需要正尖峰脈沖。 1. 電路組成 rc 微分電路的組成，如圖 4-6(a)所示。電路應(yīng)具有如下條件： （1）輸出信號取 r2、c1 電路的電阻 r2 的兩端。即 uu ro （2）電路的時間常數(shù)應(yīng)遠小于輸入的矩形波脈沖寬度。即 tw tw 通常，當1/5 時，可認為滿足上述條件。 tw 2. 工作原理 圖 4-6(b)(d)是微分電路的工作波形圖。 其工作原理如下： 設(shè)輸入信號為矩形波，幅度為，脈寬為。 i u m v p t （1

41、）當 時，,。t 1 t0 i u0 o u （2）是的瞬間，由 0 突變?yōu)?立即有充電電流通過 c1 和 r2。 1 tt i u m v 從圖 4-6（a）可知，,由于電容電壓不能突變，此時仍為 cio uuu c u c u 0，故有，即輸出電壓由 0 跳變?yōu)椤?mio vuu o u m v 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 （3）在 t1t2 期間，輸入電壓 保持不變，由于電路時間常數(shù) i u m v 很小（） ，所以,電容 c1 被迅 p t 速充電，上升很快。而輸出電壓 c u 則迅速下降。在之前， cio uuu 2 tt 很快達到,而也迅速下降為 c u m v o u 0，形成一

42、個負的尖峰脈沖波。 （4）在時刻，從跳變 2 tt i u m v 到 0，由于電容兩端電壓不能突變， 仍為。所以， c u m v 。 mcio vuuu （5）在時刻以后，同樣因為電 2 t 路時間常數(shù)很小，電容迅速放電， 很快由上到 0，形成一個負的 o u m v 尖峰脈沖波。 以后當?shù)诙€矩形脈沖輸入時，將 重復(fù)上述過程。每輸入一個矩形脈沖， 在輸出端就得到一對正負相間的尖峰 波。 3. 電路的特點 rc 微分電路的輸出脈沖反映了輸 入脈沖的變化部分，即反映在和 i u 1 t 時刻的跳變，此時輸出電壓幅度最大；而在期間，輸入電壓保持不變， 2 t 1 t 2 t 輸出電壓基本為 0

43、。概括地說，微分電路對輸入脈沖起到“突出變化量，壓低 恒定量”的作用。 4.2.4 cc4069 六反相器 cc4069 內(nèi)部是由六個獨立的通道輸入、輸出反相器單元電路構(gòu)成的。其 邏輯關(guān)系的特點是：當輸入端為低電平時，輸出端為高電平；當輸入端為高 電平時，輸出端為低電平。 r2 10k c11uf + - + +- u uu io c (a) 圖 4-6 微分電路的工作原理與工作波形 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 1. cc4069 的外引腳圖及邏輯符號 圖 4-7 cc4069 的芯片引腳排列 2. 工作條件（見表 4-2） 表 4-2 cc4069 的工作條件 3. 最大決定額定值（見表 4

44、-3） 1 y 6 3 3 5 5 6 2 ya y 3 4 1 2 3 4 5 6 78 14 13 12 11 10 9 v ss dd va a y y y a a a cc4069 1 4 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 表 4-3 cc4069 的最大絕對額定值 注:所有電壓值均以 vss 管腳為基準。 4. 簡要說明 （1）vdd=10v、傳輸延遲時間為 30ns。 （2）標準對稱輸出特性。 （3）在全溫度范圍內(nèi)，vdd=18v 時，最大輸入電流為 1ua。 （4）vdd=20v 時，對靜態(tài)電流 100%測試。 （5）電路參數(shù)分別在 vdd=5v、10v、15v 時測試。 （6）所有輸

45、入、輸出、電源端均有保護網(wǎng)絡(luò)。 （7）在全溫度范圍內(nèi)噪聲容限：vdd=5v 時，1v； vdd=10v 時，2v； vdd=15v 時，2.5v。 4.2.5 主要參數(shù)的估算 1.輸出脈沖寬度 w t 由工作原理分析知道，輸出脈沖寬度是等于暫穩(wěn)態(tài)時間的，也就是定時電 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 容的充電時間。由圖 4-5 所示工作波形不難看出：, x c00 c u ,代入 rc 電路過度過程計算公式。可得： vdduc vddtu wc 3 2 wcc cc w tuu uu t 0 ln 1 vddvdd vdd cr x 3 2 0 ln1 (4-13) xx crcr11 . 13ln

46、1 式 4-13 告訴我們，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度僅決定與定時元件 w t r1、的取值，與輸入觸發(fā)信號和電源電壓無關(guān)，調(diào)節(jié)、即可改變。 x c1r x c w t 2.恢復(fù)時間 恢復(fù)時間，就是暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，定時電容經(jīng)飽和導通的晶體三極管 re t x c 放電的時間，一般取5，即認為經(jīng)過 35 倍時間常數(shù)電容就放 d t3 re t 2 電完畢。由于，而很小，所以極短。 xcesc r 2 ces r re t 3.最高工作頻率 max f 若輸入觸發(fā)信號是周期為的連續(xù)脈沖時，為了保證單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能 i ut 夠正常工作，不難理解，應(yīng)滿足下列條件： （4-14） rew ttt 即周期的最

47、小值應(yīng)為，即 i u min t rew tt （4-15） rew ttt min 因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率應(yīng)為 （4-16） rew ttt f 11 min max 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 一個應(yīng)該注意的問題: 在圖 4-4 所示電路中，輸入觸發(fā)信號的脈沖寬度（的時間） ， i u ili uu 必須小于電路輸出的脈沖寬度（的時間） ，否則電路將不能正常 o u oho uu 工作。因為當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)后，如果即端為 ili uu tr 低點平且一直保持不變，那么比較器 a2 的輸出總是 0，由與非門的邏輯特性 知道，基本 rs 觸發(fā)器端顯然會一直為高電平，不

48、難理解，電路將無法按規(guī)q 定時間返回到穩(wěn)定狀態(tài)。而且定時電容會來回充電、放電，比較器 a1 的 x c 輸出一會為 1，一會為 0，基本 rs 觸發(fā)器的端會不停地在低電平、高電平q 之間來回變化，因此在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)高頻振蕩波形。 解決這一問題的一個簡單辦法，就是在電路的輸入端加一個 rc 微分電路， 即當為寬脈沖時，讓經(jīng) rc 微分電路之后再接到端。不過微分電路的 i u i utr 電阻應(yīng)該接到 vdd，以保證在下降沿未到來時，為高電平。 i u utr 4.2.6 控制電路元器件參數(shù)計算 題目要求的變化范圍是 1999uf，又由，而且要求測 x c xw crt11 . 1

49、量的時間小于 2s(即)，也就是最大時（999）不超過 2s，stw2 x cuf w t 可求得 (4-17) 1820 109991 . 1 2 1 . 1 1 6 x w c t r 取kr8 . 11 微分電路可取經(jīng)驗數(shù)值，取 r2=10kr3=1k,c1=1uf。uf 555 定時器第 5 腳外接電容一般取。ufco01 . 0 4.3 閘門電路 4.3.1 閘門電路的工作原理 閘門電路的主要作用是由控制電路來控制的，實質(zhì)是一個與門，主要是 通過時鐘脈沖振蕩電路產(chǎn)生周期為 2ms 的矩形脈沖來為計數(shù)器提供時鐘脈沖， 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 當控制電路輸出高電平時，閘門電路打開，使

50、時鐘振蕩電路產(chǎn)生周期為 2ms 的矩形脈沖通過，作為計數(shù)器的時鐘脈沖來進行計數(shù)，當控制電路的輸出為 低電平時，此時閘門電路關(guān)閉，禁止時鐘振蕩信號通過，不為計數(shù)器的 cp 端 提供矩形脈沖。此電路主要由 cc4081 芯片來實現(xiàn)的，其電路原理圖 4-8 所示， 下面詳細介紹 cc4081 的引腳功能及邏輯結(jié)構(gòu)圖等。 (2), at foreign trigger under the function of pulse, can from stability appearance inside out arrive temporary steady appearance; (3), the tem

51、porary steady ppearance maintenance return stability appearance the auto after a period of time, but temporary steady length of appearance time, have nothing to do with setting out pulse, only decision and electric circuit of parameter.this kind of electric circuit is in the numeral the system and t

52、he device, general used for in fixed time(creation certain width of square wave), orthopedics( anomaly of wave form conversion become width, range all equal of pulse) and postpone(will importation the signal postpone hour certain time after output) etc.list point test:skill hold a probe, another han

53、d hold crocodile to clip to insulate a handle to clip tightly to be measure once the component carry and use a probe contact component of another a carry.list point test compare test convenience.(see principle diagram) 3、electric circuit principle should test electric circuit main from 555 in fixed

54、time machine constitute of list the steady state trigger a machine and from r1, is measure a component, r5 constitute of cent press a machine two part constitute. while shutting to match the switch s1, electric circuit random work.a string of electric current pulse process r4 refresh toward the c3 a

55、t this time.in is about 2, the electric capacity be actually arrived full electric voltage by the chong and provided for the electric circuit work a stability power supply.the r4 is a 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 47 limit to flow electric resistance in order to prevent once refresh electric current big damage switch.

56、the skill hold crocodile to clip to insulate a handle to clip tightly to be measured a component of on carry, the skill hold a probe contact component of another a carry.at this time, r5 with is measured component electric resistance a string to become penny to press arm in machine.top of arm from f

57、ix the electric resistance r1 constitute.this top and bottom two arm the 6 v power supply electric voltage cent pulse to add to trigger a machine importation to carry( feet) to trigger, output carry( feet) will appear gao dian4 ping2 certain of time, then just instauration arrive it originally of lo

58、w press, descend an arm the left side of electric voltage for divide and the electric capacity c1 connect with each other.during the period of test, this electric voltage be just the power supply a small part of the electric voltage, than need of 1/3 power supply electric voltages be smaller and spr

59、ead tofrom the c1 feet of ic1 towards triggering a machine to say is enoughly lowly, its appearance mainly.integrated circuit in fixed time the machine ic1 together the outer circle component constitute a list a steady state to trigger a machine together.while therefore being the above-mentioned low

60、 electricity even appearance.when output for gao dian4 peacetime, the electric current will flow the solid feng ming machine wd1 but send out the voice of feng ming.be measured the quality of component to the judgment with this.at this time period from connect to the electric resistance r3 and the e