水下目标生物扰动检测电路设计

实验题目：水下目标生物扰动检测电路设计

课程简要信息

课程名称：电工电子技术实践

课程学时：40学时（实验）

项目学时：6学时

适用专业：自动化、测控技术与仪器等

学生年级：大三年级、秋季学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：

针对岛礁、港口、重要航道附近海域无人潜航器、蛙人等小目标探测需求，项目利用敏感性海洋生物受小目标惊扰引起的水压扰动和小目标自身磁信号特征，创新设计一种可高灵敏感知流场压力和磁场变化的复合柔性电子鱼皮，可贴附于敏感性海洋生物体表用以感知小目标，并能够在感知到目标后主动产生电刺激控制海洋生物发出特定频率和强度的声信号，进而触发海洋生物的集群放大效应；借助布设在周围的水听器阵列或声呐浮标捕获相应信号，实现对水下小目标的大范围、远距离探测预警，典型场景如图1所示。

图1 电子鱼皮用于水下小目标探测的典型场景

复合柔性电子鱼皮感知流畅压力是依靠复合电子鱼皮中的电容式柔性压力传感器，当海洋生物受惊扰引起水压扰动时，柔性压力传感器的电容值会发生变化。要求设计一种基于频率测量的水下目标生物扰动检测电路，电容测量范围为1nF-99nF，测量结果能通过数码管显示。

实验任务：

1)设计多谐振荡电路，产生时间脉冲，并进行Multisim仿真测试；

2)设计单稳态触发计数电路和锁存电路，包括单稳态触发器产生门脉冲和维持稳

定显示的延时电路，并进行Multisim仿真验证；

3）对以上各模块进行组合，完成数字式微电容测量电路的设计，并进行Multisim仿真；

4）利用一体化的电子产品开发系统软件嘉立创EDA设计数字式微电容测量电路原理图和PCB图；

5）根据电路图在制作完成的PCB上焊接电路并进行调试；

6）验收内容：现场演示电容测试电路测量效果；项目设计报告。

实验过程及要求（限300字）

本实验项目为设计性实验，按照设计流程包括以下几个主要过程：

1）根据设计任务，分析功能要求，确定系统的设计框图；

2）查询相关资料，根据选定的器件设计满足要求的各功能模块电路；

3）用Multisim仿真软件对各功能模块电路进行仿真测试；

4）把单元电路合理连接成整体电路，对整体电路进行功能仿真；

5）利用嘉立创EDA软件设计电路的原理图和PCB图；

6）在制作完成的PCB上完成电路焊接和调试；

7）功能演示，汇报交流；

8）总结设计过程，撰写综合设计报告。

相关知识及背景（限150字）

本项目来之军委科技委创新特区项目“基于力磁复合电子鱼皮和鱼群应激行为的水下目标大范围预警技术”，项目创新设计一种可高灵敏感知流场压力和磁场变化的复合柔性电子鱼皮，可贴附于敏感性海洋生物体表用以感知小目标，并能够在感知到目标后主动产生电刺激控制海洋生物发出特定频率和强度的声信号，进而触发海洋生物的集群放大效应，如图2所示，其中涉及到根据柔性压力传感器电容的变化来测量压力。

图2 利用生物集群声音放大效应探测水下小目标

本项目主要培养学生运用电子技术基础课程中555定时器、组合逻辑电路和时序逻辑电路等众多知识点设计综合性电路的能力。将电子技术基础知识应用到实际的典型案例，包括多谐振荡器电路、单稳态触发器、计数器和锁存器、延时器等设计内容。项目涉及Multisim仿真软件和嘉立创EDA设计软件的使用，PCB的焊接与调试等。

实验环境条件

实验室介绍：实验室隶属于国家级虚拟仿真实验教学中心，遵循“以人为本、兴趣牵引实验、实验带动创新”的理念，采用虚实结合的方式，建立了全开放自主实验环境，实行传统“三统一”和泛在式实验相结合的实验运行模式，能为各类学科竞赛、创新实践、毕业设计等实践活动提供场地保障、实验设备和指导，部分环境如图3所示。

图3 实验室环境

软件：Multisim、嘉立创EDA等；

仪器及工具：示波器、万用表、口袋实验室、剥线钳、电烙铁等；

参考元器件： 555定时器、计数器、锁存器、译码器、基本门电路、数码管等。

教学目标与目的（限150字）

通过此综合性设计实验，引导学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，深入理解555定时器、延时电路、基本组合电路和基本时序电路的工作原理及应用方法；提升学生使用仿真软件、焊接硬件电路及调试电路等实践能力；引导学生逐步掌握电子系统的设计方法。

教学设计与实施进程

电容测试电路设计是一个综合完整的数字电路应用工程实践项目，需要经历功能分析、系统设计、电路仿真、PCB设计、硬件制作、电路调试以及设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）课前通过雨课堂发布预习内容，让学生明确实验内容和任务；

2）课中针对预习中遇到的问题进行解答，在实操中引导学生进行模块化仿真、设计和调试，针对共性问题进行讲解；

3）课后通过雨课堂提交项目设计报告，报告要对测量结果进行详细分析。

本实验总共学时为6学时，具体实施进程如下表所示

实验原理及方案

1. 系统结构

图4 系统功能框图

2. 实现方案

电路分为三个部分，分别是测量电路部分、计数锁存电路部分以及显示电路部分。

首先是测量电路部分，电路图如图5所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，上面的555定时器构成单稳态触发器，下面的555定时器构成多谐振荡器。多谐振荡器3端输出的单位脉冲信号作为单稳态触发器2端的输入信号。图中C2为待测电容，接入到单稳态触发器中。由于电容的充放电，单稳态触发器产生一个脉宽与待测电容大小成正比的脉冲信号。这个信号经过一个非门后作为锁存器的时钟信号。而多谐振荡器的输出单位脉冲信号作为计数器的时钟信号进行计数。

图5 测量电路

单稳态触发器产生脉冲信号的脉宽计算公式如下：

当值固定时，与的大小成正比。越大，在时间内通过的脉冲数就越多，数码管所显示的数字就越大。

多谐振荡器的振荡周期的计算公式如下：

考虑到设计要求中量程为1nF—99nF,令为1nF。单稳态触发器3端输出信号和多谐振荡器输出信号满足：

经过整理得：

适当的选取、和的值，使，则数码管所显示的数值为与的比值。这样我们就可以直接计算出的大小了。例如，当待测电容为22nF时，多谐振荡器输出信号、单稳态触发器经过一个非门后的输出信号、单稳态触发器经过四个非门后的输出信号如图6所示。

图6 待测电容为22nF时各输出信号波形

上图中的波形从上至下分别为单稳态触发器经过一个非门后的输出信号，连接到锁存器的时钟，在计数器输出信号被清零前进行锁存；单稳态触发器经过四个非门后的输出信号，连接到计数器的清零端，滞后锁存器的时钟3个非门传输延迟时间；多谐振荡器输出信号，连接到计数的时钟，做计数脉冲用。

其次是计数锁存电路部分，本部分电路图如图7所示。

图7 计数锁存电路

计数器74LS160N是一个同步十进制加法计数器，上升沿有效。其管脚图如图8(a)所示。锁存器74LS273是一个8位数据/地址锁存器，其是一种带清除功能的8位触发器，管脚图如图8(b)所示。

(a) (b)

图8 (a)计数器74LS160管脚图; (b)锁存器74LS273管脚图

多谐振荡器输出信号作为计数器的时钟信号，而单稳态触发器的输出信号经过延时后作为计数器的清零信号。计数控制端都接高位，由图7可知单稳态触发器输出信号处于高电平，计数器开始计数。经过一个脉冲宽度后清零端输入低电平，计数器清零。当单稳态触发器输出信号重新为高电平时，计数器又从0开始计数，依次一直循环。因此计数器输出的数值经锁存器后为一个固定的值。

锁存器D1—D8为输入端，连接计数器；Q1—Q8为输出端，连接数码管；CLR为主清除端，低电平触发，即当输入为低电平是，芯片被清除，输出全为0；CLK为锁存控制端，上升沿触发，即当CLK输入信号从低电平到高电平时，数据通过芯片，当输入信号为低电平时，数据将被锁存，不论输入端D1—D8数据如何改变，输出端Q1—Q8数据不变，从而达到锁存功能。因此CLR接高电平，使锁存器一直处于工作状态，单稳态触发器的输出信号通过一个非门后的输出信号作为锁存器的锁存信号，其目的是在计数器完成一个脉冲宽度时间内计数后，清零之前将数据进行锁存，以此使得显示的数字呈稳定状态。

本设计方案中，由于量程为1nF—99nF，用2片74LS160N连成百进制计数器可以实现从0到99的计数。将第一片的进位输出端连接到第二片的计数控制端，低位的功能控制端和以及两片的置数端均接高电平。

最后是显示电路，如图9所示。

图9 显示电路

用2片数码显示管分别显示个位、十位的数值。数码管显示的数值是经过计数器的计数，锁存器锁存后的数值。由于单稳态触发器输出信号的脉冲宽度固定且多谐振荡器输出信号的频率不变，由于锁存器锁存的数一直为固定值，固被测电容值确定，数码显示管显示的数就不变。显示电路可以直接用口袋试验箱上的数码管电路，直接将锁存器的输出连接到数码管显示模块上。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析

描述系统功能，明确实验实现的目标要求及设计任务内容。

2）实现方案论证

画出总电路框图，描述框图中各电路功能模块的实现方案，对方案进行可行性分析。

3）理论推导计算

对电路设计的依据要有相应的理论推导。

4）电路设计与参数选择

介绍电路设计的流程和参数选择的依据。

5）电路测试方法

介绍电路测试方法。

6）实验数据记录

记录各模块电路的完成情况及整体联调情况。

7）数据处理分析

实验结果分析，记录实验过程中所遇到的各种实际问题及解决办法。

8）实验结果总结

总结本次实验的心得与收获，总结电路设计思路、电路仿真、PCB设计和PCB焊接与调试经验，找出本次设计的不足与改进之处。

考核要求与方法（限300字）

1）实物验收（30%）： 在规定时间内完成的硬件电路能否实现1nF-99nF电容的测量，6个学时分散在2周时间内。

2）实验质量（10%）：方案选择的情况，焊接质量（焊点是否可靠、光滑）、测试一起的熟悉程度。

3）自主创新（10%）：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本（5%）：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据（15%）：测试数据和测量误差。

6）实验报告（30%）：实验报告的规范性与完整性，实际中如果测不准，如何改进，给出改进的方案。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

1）在具体电路设计上，通过启发式引导学生回顾所学知识，设计满足要求的电路；

2）让学生明白模块之间的连接与协同工作关系，各模块之间的时序关系，引导学生从全局上看问题，培养学生的系统思维；

3）加入PCB焊接与调试，希望能使学生沉下心来，耐心认真做事，将精益求精的工匠精神潜移默化的融入实验过程中。

项目的创新在于：

1) 以最新科研项目中凝练出的电容测量内容作为实践项目，既开阔学生的视野，激发学习兴趣，又激励学生投身国防事业。

2) 以微电容测量内容为抓手，用雨课堂发布任务要求，现场进行引导，融合“线上+线下”混合式教学模式，引导学生对知识主动探索、并实现对所学知识的自主构建。

3）水下目标生物扰动检测电路设计是融合了传感器、测量、显示一体的综合设计项目，涵盖了设计、仿真、验证、PCB制作、电路调试等电子系统设计的各个环节，能全面培养学生的综合实践能力。

附：学生作品图、电路原理图和PCB图、Multisim仿真电路图。

图1 电容简易测试电路Multisim仿真结果 (被测电容22nF)

图2 电容简易测试电路Multisim仿真结果 (被测电容15nF)

图3 基于口袋实验室搭建的电容测试电路(被测电容22nF)

图4 多谐振荡电路和单稳态电路的输出波形

图5 现场调试

图6 学生用嘉立创EDA设计的原理图

图7 学生用嘉立创EDA设计的PCB图-底层和顶层

图8 学生制作的电路板