数字式位移表1.docx
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数字式位移表1
湖南文理学院芙蓉学院
课程实习报告
实习名称：
电子设计制作与工艺实习
学生姓名：
袁玲
学号：
11160123
专业班级：
通信工程1101
指导教师：
黄建春
完成时间：
2013年6月21日
评阅意见：
评阅教师日期
报告成绩：
目录
第1章数字式电容是位移测量仪的原理介绍.........................1
1.1电容传感器的原理
1.1.1变极距型电容传感器
1.1.2变面积型电容传感器
1.1.3电容式角位移传感器
1.1.4变介电常数型电容式传感器
1.2电容位移传感器测量方法对比
1.2.1运算放大器式电路
1.2.2差动脉冲调宽电路
1.2.3调频电路
1.2.4二极管双T型电路
1.2.5AC桥路式测量电路
第2章数字式电容是位移测量仪的电路设计........11
2.1.1用软件实现脉冲的鉴相和计数
2.1.2用硬件实现脉冲的鉴相和计数
2.2电容传感器的电路设计
2.2.1检测电路的设计
2.2.2555定时器的介绍
2.3显示电路的设计
第三章用PROTEL99SE制作电路板................18
心得体会.........................................19
第四章收音机的实习报告
数字式位移表
摘要
由于具有结构简单、动态性好、能实现非接触式测量等优点，电容位移传感器广泛用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。
现有电容位移传感器普遍采用侧头与测量电路分立设计，信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著，因此信号传输距离受到严重限制。
如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移，就成了影响电容传感器性能的关键。
为了完成对电容量的测量，本文涉设计了一个脉冲宽度调制电路，将电容量的变化转化为不同宽度的脉冲，然后用单片机的定时器功能检测出来并通过数码管显示出来。
在运用PROTEL99SE将设计的电路制成电路板。
关键字：
电容；数字式；脉冲宽度调制；Protel99SE
第一章数字式电容是位移测量仪的原理介绍
传感器的应用方面可用来测量直线位移、角位移、震动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量；还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量（如油、粮食中的含水量）、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为信号发生器。
电容式传感器时将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。
由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、振动、压力、压差、液位、等检测领域。
1.1电容传感器的原理
电容器是一个技能充电又能放电的电子元件，电容器的基本结构有两只金属极板或圆通中间隔以绝缘体组成。
电容传感器是一个具有可变参数的电容器。
多数场合下，电容式有两个金属平行板组成并以空气为介质，如式（1-1）所示。
在不计边缘效应的情况下，平行板式电容器的电容为
（1-1）
式中c——电容量；
电容极板件介质的介电常数；
A——两平行班正对的面积；
d——两极板之间的距离。
当被测参数使得式（1-1）中的
、A或d发生变化时，电容量C也随之变化。
如果保持其中两个参数不变而改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
1.1.1变极距型电容传感器
图1-1为此传感器的原理图。
设初始电容量为:
（1-2）
若电容动极板因被测量变化而向上移动
时，则极板间距变为
，电容量为：
（1-3）
极板移动前后电容的变化量为：
（1-4）
则其灵敏度K为:
（1-6）
故变极距型电容传感器只在
很小时，才有近似线性输出。
其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。
1.1.2变面积型电容传感器
当极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量为
（1-7）
与
间呈线性关系
1.1.3电容式角位移传感器
当
=0时
（1-8）
当
时
（1-9）
传感器电容量C于角位移
间呈线性关系
1.1.4变介电常数型电容式传感器
初始电容
（1-10）
电容与液位的关系为：
（1-11）
如图1-5电容式液位传感器
（1-12）
当L=0时，传感器的初始电容
（1-13）
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
（1-14）
电容变化量与电介质移动量L呈线性关系
1.2电容位移传感器测量方法对比
电容位移传感器将被测的非电量转换成电容后，必须采用测量电路将其转换成可以应用的电量，如电压、电流及频率信号等，这种测量转换和处理的方法有很多。
目前广泛使用的测量方法有：
运算放大器式法、差动脉冲宽法、调频法和调幅法。
1.2.1运算放大器式电路
最大特点：
能克服变极距型电容传感器的非线性
由运算放大器工作原理可知
（1-17）
结论：
从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性，假设放大器开环放大倍数A=
，输入阻抗Zi=
因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。
1.2.2差动脉冲调宽电路
当C1=C2时，如图1-8（a），则T1=T2,UAB为等宽波。
输出平均电压UAB=0
当C1≠C2时，若C1>C2，则充放电时间常数T1﹥T2。
如图1-8（b）,UAB为不等宽距形波，平均输出电压不等于零，经低通滤波后，可输出直流电压。
阻容充放点过程为：
将②式代入①中有
（1-18）
即差动电容变化，使充放电时间不同，从而使双稳态输出方波脉冲宽度不同，因此A，B两点输出直流电压也不同。
对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。
除此之外，调宽线路还具有如下一些特点：
（1）不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求；
（2）效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出；
（3）不需要解调器；
（4）由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。
1.2.3调频电路
（1-20）
当被测信号为零时，平均电容为零，振荡器有一个固有振荡频率
（1-21）
当被测信号不为零时，平均电容不为零，此时频率为
（1-22）
具有较高的灵敏度，可测至0.01级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。
1.2.4二极管双T型电路
1.2.5AC桥路式测量电路
其检测电路主要有普通交流电桥法、感应分压器电桥法和双T二极管电桥法三种形式。
其工作原理是，将电容式传感器接入交流电桥的一个臂（另一个臂为固定电容）或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。
极板间隙的变化会使电桥失衡，通过不平衡输出电压的幅值与被测变化量有关。
该电路的优点:
不同的电桥形式，具有不同的特点，如紧耦合电感臂电桥电路具有较高的稳定性和灵敏度，适用于高频工作；变压器电桥电路使用原件很少，桥路内阻小，使用广泛。
第二章数字式电容是位移测量仪的电路设计
使用光电编码器测量位移，准确无误的计数起着决定性作用。
由于在位置控制系统中，电机既可以正传，又可以反转，所以要求计数器既能实现加计数器，又能实现减计数器
2.1.1用软件实现脉冲的鉴相和计数
编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断TNTO，B向脉冲接到I/O端口P1.0，如下图所示。
当系统工作时，首先要把INTO设置成下降沿触发，并开相应中断。
当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平。
若是高电平，则编码器正转，加一计数；若是低电平，则编码器反转，减1计数。
2.1.2用硬件实现脉冲的鉴相和计数
硬件计数在执行速度上有软件计数不可比拟的优势通常采用多个可预置4位双时钟加减计数器74LS193级联组成的加减计数电路。
如下图所示，PQ、P1、P2、P3为计数器的4位预置数据端，与数据输出锁存器相连接：
QA、QB、QC、QD为计数器的4位数据输出端，与数据输出缓冲器相接；MR为清零，与上电清零脉冲相接；为预置允许端，由译码控制电路触发；CU为加脉冲输入端，CD为减脉冲输入端；TCU为进位输出端；TCD为借位输出端。
当CU和CD中一个输入脉冲时，另一个必须处于高电平，才能进行技计数工作。
而从编码器直接输出的A、B两路脉冲不符合要求，不能直接接到计数器的输入端，但可以利用这两路脉冲之间的相位关系对其进行鉴相后再计数。
下图给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。
当光电编码器顺时针旋转时，A相超前B相90度，D触发器输出口Q为高电平，Q（W2）为低电平，与非门N1打开，计数脉冲通过（W3），送至双向计数器74LS193的加脉冲输出端CU，进行加法计数；此时，与非门N2关闭，其输出为高电平（W4）。
当光电编码器逆时针旋转时，A相比B延迟90度，D触发器输出口Q（W1）为低电平，Q（W2）为高电平，与非门N1关闭，其输出为高电平；此时，与非门N2打开，计数脉冲通过，送至双向计数器74LS193的脉冲输入端CD，进行减法计数。
2.2电容传感器的电路设计
2.2.1检测电路的设计
检测电路的设计是为了准确检测到电容的变化，而后将检测到的信号传输给后级电路。
可以采用脉冲宽度调制电路来进行测量。
我们可以利用555定时器构成单稳态触发器，由多谢振荡器单元和单稳态触发器的工作原理及特性可知，输出的脉冲信号宽度为
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是Vcc--R1--R2--
C--地，暗之书规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出反转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C--R--T--地，按指数规律下降，当下降到TH、端电平小于零时，输出反转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间、输出低电平、振荡周期、输出方波的占空比。
2.2.2555定时器的介绍
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容、就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2-12所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准VCC/和2VCC/3.
555定时器的功能主要有两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输入为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1.如果阈值输入端TH的电压2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0.使输出为0电平。
2.3显示电路的设计
为了得到具体检测到的数字并直观的显示出来，需要借助数码显示管来实现。
使用89C51的I/O口、PO口、P2口输出结果，并且采用硬件译码。
本设计采用CD4511来实现译码等相应功能。
2.4单片机软件设计
单片机程序流程如图所示。
程序主要包括定时器、二进制数转BCD码、延时子程序三部分。
第三章PROTEL99SE制作电路板
心得体会
为了完成课程设计，我复习了所学的相关课程，在图书馆和网上查找了很多资料来了解数字式位移表的设计方法。
从这次设计中，使自己更加熟悉Protel99SE的使用技巧，对Word、Visio、HyperSnap-DX、画板等办公软件也有了更深的了解，对以后的学习和工作都将会有很大的帮助。
但是，从这次课程设计中，我也认识到了自己的很多不足，以后得更加认真，细心，而且办事需要严谨，而且，我还深深地认识到自己特别没有耐心，以后要学会沉着稳重，课余时间多读点课外书籍，多了解了解这方面的知识。
通过本次实训，极大地丰富和锻炼了我的思维能力、文字编辑能力和实践动手能力，同时让我联想到此次我们的数电实训项目-电子调光控制器与数字电子技术、模拟电子技术、电子测量与仪器、电路分析及实用电源的紧密联系，让我意识到学好各门学科，力争全面发展的重要意义。
但在老师的辛勤指导和同学的热心帮助下，我使用Protel99软件创建了原理图元器件库，然后根据预先设计好的样本绘制原理图，然后使用QQ截屏把原理图恰到好处地截取下来，复制、粘贴到Word文档中。
在实训过程中，我从网上搜集资料，从书中摘录材料，大胆设想、积极论证，取得了良好的效果。
在编辑Word文档时又在同学的帮助下学会了让系统自动生成索引和目录的方法等等。
书到用处方恨少，在此次实训中，我深刻地意识到了全面、均衡发展的重要性，更增加了我努力学好各学科知识的紧迫感和源动力。
同时在此向辛勤指导过我的老师和热心帮助过我的学长及同学致以诚挚的问候和衷心的感谢！
参考文献
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//WWW
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