一．說明

通過準(zhǔn)備大約3個(gè)月的電子電路大賽，最終我負(fù)責(zé)的是電路的設(shè)計(jì)部分，即通過選擇元件，protues仿真，PCB畫圖板，熱轉(zhuǎn)印法制作PCB玻璃纖維銅板的一體化流程電路部分。

• 電路實(shí)現(xiàn)部分
  

1.研究已久的NE555多諧振蕩電路

①個(gè)管腳說明

     該芯片為8個(gè)引腳：8腳為VCC：+5V供電引腳；7腳為DISC：即該芯片的放電引腳（重要）；6腳TH：閾值電壓腳，內(nèi)部電壓比較器專用引腳；5腳為CV：控制電壓引腳，在該應(yīng)用電路中不做具體要求；4腳為IQR~：該腳為復(fù)位引腳，低電平有效，默認(rèn)接高電平；3腳為out：波形輸出引腳；2腳為TR~：電平觸發(fā)引腳，高低電平反轉(zhuǎn)用；1腳為GND：接地引腳。

②使用原理說明。

圖1.1NE555占空比可調(diào)的多諧振蕩電路仿真

該芯片廣泛應(yīng)用在大多數(shù)電壓表測量較大電容電路，還有一些其它需要矩形脈沖的電路；該芯片簡單實(shí)用只需要少許的電容、電阻即可起震蕩，非常實(shí)用，但是缺點(diǎn)也顯而易見的就是Cx被測電容約大精度越高，外部電阻所需阻值組合值也越小，否則列如這次測量值在30pf-2nf（1-100張紙）電路中誤差很大，設(shè)計(jì)電路在1nf的cx電容值下，其要得到1khz方波，其R1和2R2的組合值為1400k，可謂阻值巨大，電阻需求較高；公式：T=t1+t2=(R1+2R2)Cxln2,可知即可測量頻率，也可以測量電容的充放電時(shí)間，即周期的1/2，在t1=t2時(shí)。

其原理是TH和TR~直接相連，保證電路只有兩個(gè)電路狀態(tài)0和1，然后接Cx到地，取電壓值從Cx為信號(hào)壓值，Ucx的電壓值=Uo=1/3VCC，上端接R2到DISC放電腳UR2=2/3VCC，R2上又連上R1分壓電阻到VCC；CV端接0.01uf電容到地，起低通濾波作用，電路即可。

圖1.2 占空比可調(diào)555多諧振蕩電路效果圖

圖1.3 諧振頻率圖

在上面的基礎(chǔ)上引入占空比可調(diào)的NE555多諧震蕩電路：DISC端接到可調(diào)電阻上，可調(diào)電阻另外兩端與R1和R2串連，放電回路R2上端正接穩(wěn)流二極管到R1，起單向放電作用，DISC端接穩(wěn)流二極管到TH端，起激勵(lì)作用。具體實(shí)物看仿真。

③特別說明

基于以上原理屬于個(gè)人想法，卻也做有實(shí)際電路，但礙于程序部分并未得以實(shí)踐，故在后續(xù)成功后在與說明，該設(shè)計(jì)方案并未放棄，仍在實(shí)踐中。

• 實(shí)際比賽選用電路。
  

①說明

  非常遺憾在短短的四天三夜里，我們團(tuán)隊(duì)，楊、李、張三人實(shí)際并沒有完成比賽題目，而采用了方老師的實(shí)際電路，開始我們二人即為排斥，應(yīng)為在最后一天結(jié)束比賽最后幾個(gè)小時(shí)里，方完全否了楊、李二人的所有努力，其中我們已四天三夜未曾好睡一覺，身心俱疲，思維混亂，其特是予也；顯而易見，我團(tuán)實(shí)力不足也，方的決定是對(duì)也；后更是得以驗(yàn)，可謂成也蕭何，敗也蕭何，那關(guān)鍵性局面由我挽回，而最終的面試也在我敗出，我未能說出原理，實(shí)則應(yīng)更上一層樓，反落一節(jié)，后反思，未睡覺休息好，為一大魁首，未抽空研究電路為二，天時(shí)、地利、人和，其天時(shí)與人和盡不占，是三；終了總結(jié)為其自身水平不足也。但事后亦不愿做隨波逐流之輩，還是把成功電路部分做研究說明，以防今后之需與學(xué)習(xí)之用。卻也不是一無所獲，收獲了更加牢靠的友誼，學(xué)的AD畫板與制板也算一大可喜之由，當(dāng)然后將會(huì)學(xué)的更多更好，言盡于此，看原理。

②阻抗法測電容

圖2.1阻抗法測電容原理圖

說明：LM358N為一個(gè)雙位運(yùn)算比列放大器，其實(shí)際電路中用了三個(gè)，即總個(gè)六個(gè)運(yùn)放。該電路主要由三大部分組成：1.產(chǎn)生交流信號(hào)頻率電路：文氏橋震蕩電路；2阻抗測電容核心部分，一個(gè)LM358N做反向比列放大器用；3.輸出的反向低交流信號(hào)變?yōu)锳D采集所需的0-5VDC直流整形，放大電路。

• 1KHZ  500mv文氏橋震蕩電路：由選頻網(wǎng)絡(luò)和放大電路組成，簡單的RC串并聯(lián)組成震蕩電路；集成運(yùn)放電壓電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，有輸入電阻高 ，輸出電阻低的特點(diǎn)；為得到1KHZ的正旋波，R應(yīng)該精確等于3.3 k，C精確等于47nf，當(dāng)然也可以是其他一些RC組合值，視你選擇的電阻、電容決定，其計(jì)算公式為：F0=1/2RC；為了使輸入的電壓幅值可以控制，我們需要加入非線性環(huán)節(jié)，即在其負(fù)反饋回路中加入對(duì)向的整流二極管，使增益A大于1（或者效于1）達(dá)到預(yù)定幅值后，A=1的穩(wěn)定效果，是電路的幅值可控并達(dá)到預(yù)期的效果；
  

圖2.2 文氏橋振蕩電路仿真圖

根據(jù)電路的起振條件：|AU|>3,正反饋支路占優(yōu)勢(shì)電路起振，開始時(shí)振蕩不穩(wěn)定，但是隨著振蕩的不斷增大，運(yùn)放會(huì)處于飽和狀態(tài)，輸出波形出現(xiàn)頂部失真；因此只有放大倍數(shù)剛好為3時(shí)，正負(fù)反饋處于平衡狀態(tài)，電路才能連續(xù)起振；下面具體計(jì)算一下AU，AU主要由負(fù)反饋回路的電阻決定：|AU|=1+（R5+RV2*X%）/R2，其中可調(diào)電阻是電路起振與否的決定條件之一，通過它我們可以精確的把放大倍數(shù)調(diào)節(jié)到3左右，做修正用，該電路修正值大約為0.7，其電路電壓實(shí)際放大倍數(shù)Uo多于3V，在Ui為1v左右時(shí)。

•   阻抗法測量電容電路
  

圖2.3電壓跟隨器做隔離，減小輸入電容

a.  LM358為電壓跟隨器做前級(jí)輸入輸出緩沖器：應(yīng)為電壓放大器的輸入阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾時(shí)千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較少，那么信號(hào)將會(huì)有相當(dāng)部分損耗在前級(jí)的電阻中，這個(gè)時(shí)候就要用到電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，還可以提高輸入阻抗，可以大幅減小輸入電容的的大小，可以為高品質(zhì)漏電小的電容提供保障，還有隔離級(jí)、提高帶負(fù)載能力的作用。在該實(shí)際電路中應(yīng)是做隔離和減小輸入電容Cx即被測電容容量，滿足紙張測量儀要求。算出后級(jí)輸入阻抗Xc=1/2fCx=1/6.28*1000*10^-12=0.159*10^9，可見阻抗值較大，其前級(jí)波形失真較小，在使用電壓跟隨器前后幅值由于前級(jí)上輸出電阻損耗兩倍，所以影響不明顯，但具有隔級(jí)作用，劃分運(yùn)放的兩級(jí)，互相不影響，輸入阻抗高對(duì)于前級(jí)相當(dāng)于開路，輸出阻抗低對(duì)于后級(jí)相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)影響，起到隔離作用，由下圖可以看到使用電壓跟隨器前后波形無明顯變化，示波器捕捉信號(hào)均為0.2mV，當(dāng)然波形的修補(bǔ)作用還是有的。

圖2.4使用電壓跟隨器前后級(jí)波形對(duì)比圖

• 阻抗法測電容核心部分
  

①測量電路基于一個(gè)反向比列放大電路，公式如下：

調(diào)整輸入電壓Vi使被測電容在0-1000pF（0-100pf）時(shí)輸出電壓為0-500.0mV（0-50mv），輸出電壓送AC/DC轉(zhuǎn)換電路變?yōu)橹绷麟姡�通過A/D轉(zhuǎn)換電路送單片機(jī)后即可進(jìn)行各種測量。

根據(jù)公式，在0-1000pf，輸入U(xiǎn)i=500mV，頻率為1KHZ時(shí)的反饋電阻Rf為159k（組合值為68K+91K）；0-100pf時(shí)組合值為1590k，其后級(jí)C1為1Uf電容高通濾波用，配合51k的R14組成一個(gè)電容的充放電回路，使有效電壓在可控范圍內(nèi)，過濾掉信號(hào)較低的直流干擾信號(hào)，為后級(jí)電路提供更為純凈平滑的交流信號(hào)。

圖2.5 阻抗法測電容核心部分

②一階高通濾波頻率響應(yīng)特性研究

圖2.6一階高通濾波電路

  由高通濾波電路截至頻率公式：FL=1\2ΠRC，算的該電路截至頻率為3.1HZ,即凡是低于等于3.1的低頻信號(hào)都無法通過，反之的高頻信號(hào)均可以通過。

③測量電容Cx與LM358N產(chǎn)生的自激振蕩

圖2.7電容Cx放電回路產(chǎn)生自激振蕩

自激振蕩的引起,主要是因?yàn)榧�成運(yùn)算放大器內(nèi)部是由多級(jí)直流放大器所組成,由于每級(jí)放大器的輸出及后一級(jí)放大器的輸入都存在輸出阻抗和輸入阻抗及分布電容,這樣在級(jí)間都存在R-C相移網(wǎng)絡(luò),當(dāng)信號(hào)每通過一級(jí)R-C網(wǎng)絡(luò)后,就要產(chǎn)生一個(gè)附加相移.此外,在運(yùn)放的外部偏置電阻和運(yùn)放輸入電容,運(yùn)放輸出電阻和容性負(fù)載反饋電容,以及多級(jí)運(yùn)放通過電源的公共內(nèi)阻,甚至電源線上的分布電感,接地不良等耦合,都可形成附加相移.結(jié)果,運(yùn)放輸出的信號(hào),通過負(fù)反饋回路再疊加增到180度的附加相移,且若反饋量足夠大,終將使負(fù)反饋轉(zhuǎn)變成正反饋,從而引起振蕩。電容Cx經(jīng)過電阻RF1159k的電阻后會(huì)形成一個(gè)放電回路引發(fā)一個(gè)不可忽的自激振蕩，對(duì)后級(jí)電路造成影響，應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其進(jìn)行消除。

經(jīng)過仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，問題就出在電容Cx與反饋電阻RF1，在RF1兩端并上一個(gè)1nf（=1000pf但不能直接用）的滯后補(bǔ)償電容后自激振蕩得以緩解，但是電壓幅值得到大幅限制，需要改變?cè)�有效電壓值，列入Cx=100pf時(shí)，輸出大約50mV，但消除自激振蕩后輸出已經(jīng) 達(dá)不到50mV，只有35.3mV，經(jīng)過放大10倍后應(yīng)為500mV左右，實(shí)際卻不到400mV。

圖2.8加入補(bǔ)償電容C2后效果圖

圖2.9插入C2前后輸出電壓幅值比較

    說明：若后端要得到50mV電壓，則需要調(diào)節(jié)最前級(jí)輸入電壓大于500mV。

• AC轉(zhuǎn)DC部分
  

特別說明:1khz的正旋波在Cx前端消失，因?yàn)樵摫粶y電容相當(dāng)于斷路，波形無法傳遞。

其實(shí)說實(shí)話，該級(jí)電路是這個(gè)電路中最難分析理解的，因?yàn)樗�涉及到三個(gè)運(yùn)放，并且運(yùn)放間還具有多反饋，交互式影響，下面原理分析可能不是那么的客觀精準(zhǔn)，具有一定的爭議性，需要用批判性思維去看待！

圖3.1未接入C2時(shí)自激振蕩對(duì)后級(jí)電路影響

圖3.2 接入C2后效果圖

圖3.3 未接入C2時(shí)半波整流

圖3.4 接入C2后半波整流效果

圖3.5 未接入C7時(shí)失敗的整流效果圖

圖3.6 接入C7后最終得到直流效果圖

AC/DC變換要求輸入的是正玄波，輸出的直流電壓值為輸入有效電壓值的10倍，其實(shí)際經(jīng)過半波整流后，輸出的電壓值僅有原輸入值的大約1/2*10=5倍，經(jīng)過計(jì)算后輸出直流大約有25mV，實(shí)際有接近40mV，說明該電路交直流轉(zhuǎn)換效率較高。該級(jí)第一個(gè)運(yùn)放U3：C，是使原來輸入的交流信號(hào)變?yōu)檩敵鼋涣餍盘?hào)的10倍，根據(jù)電路，放大倍數(shù)Au=R15/R11=10.2，有0.2倍值用于修正用；第二級(jí)運(yùn)放U3：A才是正真的半波反饋整流橋，通過該運(yùn)放的反向輸入端做電壓跟隨，再利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?duì)與輸入信號(hào)相反的交流信號(hào)進(jìn)行半波整流成單向脈沖，最后通過第二次反向放大再次做半波整流，得到具有一定平滑性的直流電源，但是電壓還不是很穩(wěn)定，在通過R10對(duì)兩級(jí)運(yùn)放做深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，限制直流電壓的幅值，在可控范圍內(nèi)；U3：B為二次反向放大器，將原來剩余的單波脈沖放大系數(shù)為原來二分之一，切掉多余尖波，使其變成矩形脈沖波，在反饋電阻R9兩端并聯(lián)上0.22uf補(bǔ)償電容C7，使脈沖波形變?yōu)檩^為平滑直流電，到此AC/DC轉(zhuǎn)換完成，最后便可送入目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換得到相對(duì)值了。

在比賽當(dāng)天，我對(duì)運(yùn)放的雙電源供電陷入了混亂，現(xiàn)在特此在這兒說明，如果電路需要加入正負(fù)12V電源時(shí)，我們可以串聯(lián)16節(jié)1.5V的直流電池，其終點(diǎn)電位VCC\2處為GND，其正向?yàn)?12V，負(fù)向?yàn)?12V，如果需要給單片機(jī)進(jìn)行供電選用7805穩(wěn)壓芯片即可。

• 總結(jié)（程序分析部分放其他）
  

通過這次比賽，嚴(yán)重的意識(shí)到幾點(diǎn)問題：

•    團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)很重要，要想贏得一個(gè)向TI杯這樣一個(gè)全國性的具有難度和挑戰(zhàn)性的比賽，一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)必不可少，一個(gè)團(tuán)隊(duì)的協(xié)調(diào)配合更是不可或缺。
•    電子電路的復(fù)雜多樣性和不可控因素，是制約走向成功的關(guān)鍵因素。一個(gè)好的電路，應(yīng)當(dāng)是幾乎所有的不可預(yù)見的微觀因素都制約在合理的范圍內(nèi)，其可控性較為舒適。
•    必須具備一絲不茍的科學(xué)的專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)水平，對(duì)實(shí)際電路產(chǎn)生的實(shí)際問題進(jìn)行論證解決，不得抱有僥幸心理，因?yàn)殡娮与娐肥浅绦蜷_發(fā)的基礎(chǔ)建筑，電子電路的穩(wěn)定與精確與否直接決定最終工程樣品的成敗與可用性，必須嚴(yán)肅對(duì)待，不得懈怠分毫。
•    學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)的綜合與掌握成度與產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度時(shí)間直接掛鉤，所以基礎(chǔ)一定要牢靠，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也當(dāng)充足才行。
  

最后，感謝那些陪我通宵熬夜的伙伴們，給予我實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)與糾錯(cuò)的伙伴和老師們，感謝不遠(yuǎn)數(shù)百里前來參加比賽支持的隊(duì)員，謝謝你們的支持與參與，感謝你們陪伴我度過快樂的比賽時(shí)光，見證我的成長，最后我將會(huì)改正一直以來的以個(gè)人直觀判斷為核心的錯(cuò)誤做法，一切因與科學(xué)依據(jù)為基礎(chǔ)，以上個(gè)人見解若有錯(cuò)誤不足地方，歡迎積極指正說明，最后無論比賽結(jié)果如何，希望不負(fù)我心即可。

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