线性单稳态转换电容传感器测量到脉冲序列

2021年5月10日

本设计思想讨论了一个电路，不仅转换传感器的测量，而且还提供两个脉冲来控制计数器功能，如锁存和复位。

里卡多·吉梅内斯

阿图罗·a·查韦斯

你将学习:

如何建立一个电路，将电容转换成一个脉冲序列。
电路设计的测试结果。

的电路图1通过使用恒流源和由两个NAND-gate芯片(74HC132)组成的线性单稳态，可以将电容转换为脉冲序列。该电路还提供两个脉冲来控制外部计数器功能，如锁存器和复位，这是数字计数器和锁存器驱动显示时通常需要的。当需要将传感器的电容测量(如相对湿度)转换为脉冲序列时，单稳态的应用包括仪表电路。

C_X表示电容传感器(图1)．电路由no . o按钮触发，该按钮具有由R_P和C1产生一个干净的瞬态低脉冲。图2显示印刷电路板(PCB)上实际组装的电路。在电压和地之间放置一个0.1-µF的旁路电容。

U1B在初始状态是高的，驱动晶体管Q2饱和，保持电容C_X接地(图3)．这使U2B形成的门控振荡器失效。

当按下按钮时，SR闩锁使U2A高而U21低(图4)．这使晶体管Q2截止，允许C_X线性充电用恒定电流线性充电

恒流源由Q1、PNP晶体管及其相关元件组成。恒定电流I_K由式1定义:

< p > <子> K < / sub > = (V <子> CC子> < / b - V <子> < /子> - V <子> < /子>)E / R <子> < /子> (1)< / p >

在V_CC= 5.1 v, v_b= 4.1 V, V_是= 0.7 V。为了得到时间常数T，我们代入电流我_K在变量R中，如式2:

< p > T = R C <子> X < /子> = (V <子> CC子> < / C <子> X < / sub >) /我K <子> < /子> (2)< / p >

然后将方程2乘以比率(V_t+ / V_CC)，由与非门U1C和V中的正阈值电压定义_CC．这个比值表示电容器C的最大电压_X将达到。用我_K在式2中，我们得到一个线性的定时和充电斜坡(图5)式3:

< p > T = [(V <子> CC < / sub >) C <子> X < /子>×(V <子> CMAX子> < / / V <子> CC < / sub >)×E R <子> < /子>)/ (V <子> DD子> < / b - V <子> < /子> - V <子> < /子>)(3)< / p >

然后将分量值和电压测量值代入式4:

< p > T = [(5.12 V)(2200µF) (3.28 V / 5.12 V)(220Ω))/ (5.12 V - 4.08 - 0.636 V) (4) < / p >

当电容器C_X例如，放置= 2200µF，我们得到的时间周期等于3.9秒。这个结果的准确性取决于方程4中包含的所有部件的公差。

恒流I_K停止充电电容器C_X当其电压达到正阈值电压V时_t+，在这种情况下是3.28 V。此时，与非门输出U1C达到逻辑低电平，使振荡器失效，并由与非门U1D和U2A组成的半单稳态依次产生两个瞬态脉冲。

U1D形成的边缘检测器在下降边缘处触发(图6)来自与非门U1A的输出脉冲。

由与非门U1A产生的正瞬态脉冲称为锁存器(图7)，周期为T₂由式5给出:

< p > T <子> 2子> < / = R <子> 3 < /子> C <子> 2 < /子> Ln (V <子> CC子> < / / (V <子> CC子> < / T - V <子> < /子> +))(5)< / p >

当这个脉冲结束时，它触发由R4和C3形成的第二个半单稳态，产生一个正的瞬态Reset脉冲T3(图7)由式6定义。

< p > T <子> 3 < /子> = R <子> 4 C <子> < /子> 3 < /子> Ln (V <子> CC子> < / / (V <子> CC子> < / T - V <子> < /子> +))(6)< / p >

由与非门U2B及其相关元件组成的门控逻辑振荡器提供一个脉冲序列(图8)在由式7定义的频率下:

< p > F = {1 / R <子> 5 C <子> < /子> 4 < /子> Ln (t (V <子> < /子> + / V <子> t < /子>−)×(V <子> CC < /子>−V <子> t < /子>−)/ (V <子> CC子> < / t - V <子> < /子> +))}(7)< / p >

这个振荡器没有启动延迟，因为与R6串联的500k trimpot必须校准低于正阈值电压V几毫伏_t+(见下面的参考资料)．注意，当这个振荡器被禁用时，电容器C5需要一个时间延迟来再次达到由微调器设置的固定电压。这个时间延迟可能会因电容在被禁用之前的电压而变化。如果电容器的电压等于V_t₋当它被禁用时，它将需要一个由公式8定义的恢复时间:

< p > T2 = R <子> 5 C <子> < /子> 4 < /子> Ln ((V <子> CC < /子>−V <子> t < /子>−)/ (V <子> CC子> < / t - V <子> < /子> +))(8)< / p >

这个延迟设置了在按钮上应用下一个脉冲时必须等待的时间。振荡器频率由固定电容C4和电阻R5设定根据计数器的分辨率和所需的精度读数。你可以在R5上加一个串联电位器来调节这个频率。

这个电路可以自行再触发。从Reset Pulse到按钮输入，使用另一个在下降边缘触发的边缘检测器，将放置一个反馈回路。这就要求边缘探测器在触发输入端提供一个低脉冲，其最小周期为1µs。R_P不需要。请记住，当外部计数器自身触发时，其读数将以公式3给出的速率持续变化。显示器必须在每秒一到四次内更新读数;否则，它将显示为闪烁。

建议使用1%公差的金属膜电阻，以获得由于温度变化而达到1%的变化。关于电容器，你必须使用聚酯或聚苯乙烯类型有最小值变化的温度。此外，R5的微调件必须具有一个低的温度系数常数。