一．說明

通過準備大約3個月的電子電路大賽，最終我負責的是電路的設計部分，即通過選擇元件，protues仿真，PCB畫圖板，熱轉印法制作PCB玻璃纖維銅板的一體化流程電路部分。

• 電路實現部分
  

1.研究已久的NE555多諧振蕩電路

①個管腳說明

     該芯片為8個引腳：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，內部電壓比較器專用引腳；5腳為CV：控制電壓引腳，在該應用電路中不做具體要求；4腳為IQR~：該腳為復位引腳，低電平有效，默認接高電平；3腳為out：波形輸出引腳；2腳為TR~：電平觸發引腳，高低電平反轉用；1腳為GND：接地引腳。

②使用原理說明。

圖1.1NE555占空比可調的多諧振蕩電路仿真

該芯片廣泛應用在大多數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；該芯片簡單實用只需要少許的電容、電阻即可起震蕩，非常實用，但是缺點也顯而易見的就是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，設計電路在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間，即周期的1/2，在t1=t2時。

其原理是TH和TR~直接相連，保證電路只有兩個電路狀態0和1，然后接Cx到地，取電壓值從Cx為信號壓值，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555多諧振蕩電路效果圖

圖1.3 諧振頻率圖

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

③特別說明

基于以上原理屬于個人想法，卻也做有實際電路，但礙于程序部分并未得以實踐，故在后續成功后在與說明，該設計方案并未放棄，仍在實踐中。

• 實際比賽選用電路。
  

①說明

  非常遺憾在短短的四天三夜里，我們團隊，楊、李、張三人實際并沒有完成比賽題目，而采用了方老師的實際電路，開始我們二人即為排斥，應為在最后一天結束比賽最后幾個小時里，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，我團實力不足也，方的決定是對也；后更是得以驗，可謂成也蕭何，敗也蕭何，那關鍵性局面由我挽回，而最終的面試也在我敗出，我未能說出原理，實則應更上一層樓，反落一節，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、地利、人和，其天時與人和盡不占，是三；終了總結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，以防今后之需與學習之用。卻也不是一無所獲，收獲了更加牢靠的友誼，學的AD畫板與制板也算一大可喜之由，當然后將會學的更多更好，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為一個雙位運算比列放大器，其實際電路中用了三個，即總個六個運放。該電路主要由三大部分組成：1.產生交流信號頻率電路：文氏橋震蕩電路；2阻抗測電容核心部分，一個LM358N做反向比列放大器用；3.輸出的反向低交流信號變為AD采集所需的0-5VDC直流整形，放大電路。

• 1KHZ  500mv文氏橋震蕩電路：由選頻網絡和放大電路組成，簡單的RC串并聯組成震蕩電路；集成運放電壓電壓串聯負反饋放大電路，有輸入電阻高 ，輸出電阻低的特點；為得到1KHZ的正旋波，R應該精確等于3.3 k，C精確等于47nf，當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節，即在其負反饋回路中加入對向的整流二極管，使增益A大于1（或者效于1）達到預定幅值后，A=1的穩定效果，是電路的幅值可控并達到預期的效果；
  

圖2.2 文氏橋振蕩電路仿真圖

根據電路的起振條件：|AU|>3,正反饋支路占優勢電路起振，開始時振蕩不穩定，但是隨著振蕩的不斷增大，運放會處于飽和狀態，輸出波形出現頂部失真；因此只有放大倍數剛好為3時，正負反饋處于平衡狀態，電路才能連續起振；下面具體計算一下AU，AU主要由負反饋回路的電阻決定：|AU|=1+（R5+RV2*X%）/R2，其中可調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調節到3左右，做修正用，該電路修正值大約為0.7，其電路電壓實際放大倍數Uo多于3V，在Ui為1v左右時。

•   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輸入輸出緩沖器：應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千歐，如果后級的輸入阻抗比較少，那么信號將會有相當部分損耗在前級的電阻中，這個時候就要用到電壓跟隨器進行緩沖，還可以提高輸入阻抗，可以大幅減小輸入電容的的大小，可以為高品質漏電小的電容提供保障，還有隔離級、提高帶負載能力的作用。在該實際電路中應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，其前級波形失真較小，在使用電壓跟隨器前后幅值由于前級上輸出電阻損耗兩倍，所以影響不明顯，但具有隔級作用，劃分運放的兩級，互相不影響，輸入阻抗高對于前級相當于開路，輸出阻抗低對于后級相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級影響，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，示波器捕捉信號均為0.2mV，當然波形的修補作用還是有的。

圖2.4使用電壓跟隨器前后級波形對比圖

• 阻抗法測電容核心部分
  

①測量電路基于一個反向比列放大電路，公式如下：

調整輸入電壓Vi使被測電容在0-1000pF（0-100pf）時輸出電壓為0-500.0mV（0-50mv），輸出電壓送AC/DC轉換電路變為直流電，通過A/D轉換電路送單片機后即可進行各種測量。

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

圖2.5 阻抗法測電容核心部分

②一階高通濾波頻率響應特性研究

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的低頻信號都無法通過，反之的高頻信號均可以通過。

③測量電容Cx與LM358N產生的自激振蕩

圖2.7電容Cx放電回路產生自激振蕩

自激振蕩的引起,主要是因為集成運算放大器內部是由多級直流放大器所組成,由于每級放大器的輸出及后一級放大器的輸入都存在輸出阻抗和輸入阻抗及分布電容,這樣在級間都存在R-C相移網絡,當信號每通過一級R-C網絡后,就要產生一個附加相移.此外,在運放的外部偏置電阻和運放輸入電容,運放輸出電阻和容性負載反饋電容,以及多級運放通過電源的公共內阻,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.結果,運放輸出的信號,通過負反饋回路再疊加增到180度的附加相移,且若反饋量足夠大,終將使負反饋轉變成正反饋,從而引起振蕩。電容Cx經過電阻RF1159k的電阻后會形成一個放電回路引發一個不可忽的自激振蕩，對后級電路造成影響，應該采用適當的方法對其進行消除。

經過仔細研究后發現，問題就出在電容Cx與反饋電阻RF1，在RF1兩端并上一個1nf（=1000pf但不能直接用）的滯后補償電容后自激振蕩得以緩解，但是電壓幅值得到大幅限制，需要改變原有效電壓值，列入Cx=100pf時，輸出大約50mV，但消除自激振蕩后輸出已經 達不到50mV，只有35.3mV，經過放大10倍后應為500mV左右，實際卻不到400mV。

圖2.8加入補償電容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，則需要調節最前級輸入電壓大于500mV。

• AC轉DC部分
  

特別說明:1khz的正旋波在Cx前端消失，因為該被測電容相當于斷路，波形無法傳遞。

其實說實話，該級電路是這個電路中最難分析理解的，因為它涉及到三個運放，并且運放間還具有多反饋，交互式影響，下面原理分析可能不是那么的客觀精準，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時自激振蕩對后級電路影響

圖3.2 接入C2后效果圖

圖3.3 未接入C2時半波整流

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，其實際經過半波整流后，輸出的電壓值僅有原輸入值的大約1/2*10=5倍，經過計算后輸出直流大約有25mV，實際有接近40mV，說明該電路交直流轉換效率較高。該級第一個運放U3：C，是使原來輸入的交流信號變為輸出交流信號的10倍，根據電路，放大倍數Au=R15/R11=10.2，有0.2倍值用于修正用；第二級運放U3：A才是正真的半波反饋整流橋，通過該運放的反向輸入端做電壓跟隨，再利用二極管的單向導電性，對與輸入信號相反的交流信號進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定，在通過R10對兩級運放做深度電壓串聯負反饋，限制直流電壓的幅值，在可控范圍內；U3：B為二次反向放大器，將原來剩余的單波脈沖放大系數為原來二分之一，切掉多余尖波，使其變成矩形脈沖波，在反饋電阻R9兩端并聯上0.22uf補償電容C7，使脈沖波形變為較為平滑直流電，到此AC/DC轉換完成，最后便可送入目標單片機進行ADC轉換得到相對值了。

在比賽當天，我對運放的雙電源供電陷入了混亂，現在特此在這兒說明，如果電路需要加入正負12V電源時，我們可以串聯16節1.5V的直流電池，其終點電位VCC\2處為GND，其正向為+12V，負向為-12V，如果需要給單片機進行供電選用7805穩壓芯片即可。

• 總結（程序分析部分放其他）
  

通過這次比賽，嚴重的意識到幾點問題：

•    團隊協調很重要，要想贏得一個向TI杯這樣一個全國性的具有難度和挑戰性的比賽，一個好的團隊必不可少，一個團隊的協調配合更是不可或缺。
•    電子電路的復雜多樣性和不可控因素，是制約走向成功的關鍵因素。一個好的電路，應當是幾乎所有的不可預見的微觀因素都制約在合理的范圍內，其可控性較為舒適。
•    必須具備一絲不茍的科學的專業素養與專業水平，對實際電路產生的實際問題進行論證解決，不得抱有僥幸心理，因為電子電路是程序開發的基礎建筑，電子電路的穩定與精確與否直接決定最終工程樣品的成敗與可用性，必須嚴肅對待，不得懈怠分毫。
•    學習的專業知識的綜合與掌握成度與產品的開發進度時間直接掛鉤，所以基礎一定要牢靠，實踐經驗也當充足才行。
  

最后，感謝那些陪我通宵熬夜的伙伴們，給予我實戰經驗指導與糾錯的伙伴和老師們，感謝不遠數百里前來參加比賽支持的隊員，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光，見證我的成長，最后我將會改正一直以來的以個人直觀判斷為核心的錯誤做法，一切因與科學依據為基礎，以上個人見解若有錯誤不足地方，歡迎積極指正說明，最后無論比賽結果如何，希望不負我心即可。

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