基于cd4013模拟式电容量测量仪
一、CD4013结构组成
CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
二、CD4013引脚图
1D、2D：数据输入端
1CP、2CP：时钟输入端
1Q、2Q：原码输出端
1 /Q、2 /Q：反码输出端
1SD、2SD：直接置位端
1RD、2RD：直接复位端
VDD：电源正
VSS：地
三、CD4013工作原理
设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。当fi信号输入时，由于输入端异或门的作用（附表是异或门逻辑功能表），其输出还受到触发器IC2的Q2端的反馈控制（非门F2是增加的一级延迟门，A点波形与Q2相同）。在第1个fi时钟脉冲的上升沿作用下，触发器IC1、IC2均翻转。由于Q2端的反馈作用使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时决定。当第1个fi脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳，使IC1触发器再次翻转，而IC2触发器状态不变。这样在第1个输入时钟的半个周期内促使IC1触发器的时钟脉冲端CL1有一个完整周期的输入，但在以后的一个输入时钟的作用下，由于IC2触发器的Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入跟随fi信号（反相或同相）。本来IC1触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由于异或门及IC2触发器Q2端的反馈控制作用，在第1个fi脉冲的作用下得到一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在IC1触发器的Q1端取得一个完整周期的输出。
四、cd4013电容量测量电路应用
1、用CD4013组成的模拟式电容测量仪
如图所示为模拟式电容测量仪电路。用一只双D触发器CD4013，用其中的一个触发器与被测电容器组成一个单稳态触发器，使其产生输出脉冲，该输出脉冲的脉宽及其电流平均值与被测电容的容量成正比。用其中另一个触发器组成一个多谐振荡器，用来产生触发脉冲。一块IC就可组成一个简易的电容测量仪。其测量范围为：l00pF～lμF。
2、模拟式电容测试仪
带防抖动开关的水位自MBR20H100CTF-E1动控制器电路。CD4013的数据输入端D和时钟脉冲输入端CP均接地置“0”，这样当S及R端均为低电平时，输出端Q与D端状态相同，即同为低电平；当S=l、R=O时，Q=l；当S=l、R=l时，Qi=o。因此，当水箱中的水位下降到KR1所处位置时，干簧继电器KR1在磁环磁力的作用下吸合，S端即得到一个置位脉冲，Q端由“0”跳变到“1”而输出高
带防抖动开关的水位自MBR20H100CTF-E1动控制器电路。CD4013的数据输入端D和时钟脉冲输入端CP均接地置“0”，这样当S及R端均为低电平时，输出端Q与D端状态相同，即同为低电平；当S=l、R=O时，Q=l；当S=l、R=l时，Qi=o。因此，当水箱中的水位下降到KR1所处位置时，干簧继电器KR1在磁环磁力的作用下吸合，S端即得到一个置位脉冲，Q端由“0”跳变到“1”而输出高电平，使VT1导通。LED1烹亮，继电器Kl吸合，其触点Kl-l闭合，水泵得电工作向水箱注水并保持这种状态不变。当水位上升到高水位KR2所处位置时，KR2导通，R端得到复位脉冲，强制Q端由“1”跳变为“0”，Q端变为低电平，VT1截止，Kl释放，Kl-l触点断开，水泵停止抽水。与此同时，IClb的Q端变为低电平，Q端变为高电平，故LED1熄灭，LED2点亮，以指示电路的工作状态。
模拟式电容测试仪。模拟式电容测试仪电路如图所示。D触发器1被接成无稳态工作方式，也称为多谐振荡工作方式，向电路提供脉冲信号。D触发器2接成单稳态电路，其暂态时间与R3～R7及被测电容CX呈线性关系。当R3～R7固定且电源电压不变时，在D触发器输出的与Cx成正比的脉冲电压，由直流电流表测得其平均值，通过表头的刻度指示出Cx的容量大小。
一、采用CD4013触发器的按钮控制式延时照明灯电路
本例介绍一款以CD4013触发器为主要元件制作的按钮控制式延时照明灯，它能在按动控制按钮后将照明灯点亮，再次按动控制按钮时，照明灯将在延时照明半分钟左右关闭。
该按钮控制式延时照明灯电路由电源电路、输入控制电路、单稳态触发器电路、延时控制电路和控制执行电路组成，如图16-6所示。
图 采用CD4013触发器的按钮控制式延时照明灯电路
电路中，电源电路由降压电容C1、电阻R1、稳压二极管VS、整流二极管VD和滤波电容C2组成；输入控制电路由控制按钮S、电阻R2～R4、电容C4和晶体管V1组成；单稳态触发器电路由双D触发器集成电路IC内部的一个D触发器A1和电阻R5、R8、电容C3、发光二极管VL组成；延时控制电路由IC内部的另一个D触发器A2、晶体管V2、延时电容C5和电阻R6、R7组成；控制执行电路由晶体管V3、电阻R9、R10和晶闸管VT组成。交流220 V电压经C1降压、VS稳压、VD整流及C2滤波后，产生+6V电压供给IC和V1～V3。
在未按动S时，V1～V3和VT均截止，照明灯EL不亮，发光二极管VL发光。
当按动S时，V1导通，其集电极由高电平变为低电平，使D触发器A1翻转，V2导通，C5放电，同时D触发器A2清零复位，输出低电平，使V3导通，V3集电极输出的高电平又使VT受触发而导通，照明灯EL点亮。V1导通的同时，VL熄灭。
再次按动S时，V1导通使A1内电路翻转，VL点亮，V2截止，+6V电压经R7对C5充电，当C5充满电（约半分钟左右）时，A2内电路翻转，使V3和VT截止，照明灯EL熄灭。
R5和C3组成开机复位电路，在每次通电时为A1提供一个复位脉冲，使A1清零复位，输出低电平，照明灯处于关闭自锁状态，可防止因停电后再来电时照明灯长亮而耗费电能的现象出现。
改变R7的电阻值或C5的电容量，可改变关灯的延时时间。
S选用内置发光二极管的动合型轻触按钮。
二、采用CD4013触发器的照明灯双控开关电路
本例中，艾特贸易网介绍一款以CD4013数字电路为主要元件制作的照明灯双控开关，既能使照明灯快速点亮或熄灭，又能让照明灯（在点亮一段时间后自动熄灭）延时关闭。
该照明灯双控开关电路由双D触发器集成电路IC （A1、A2）、控制按钮S1、S2、发光二极管VL1、VL2、晶体管V、继电器K、电阻R1～R4、电容C和二极管VD组成，如图所示。
图 采用CD4013触发器的照明灯双控开关电路
接通+6 V直流电源后，触发器A1和A2因无时钟信号（触发脉冲）输入而输出低电平，VL1和VL2均不发光，V处于截止状态，K不能吸合，其常开触头处于断开状态，照明灯EL不亮。
当按动S1后，IC的11脚（CP2端）输入高电平触发脉冲，A2翻转，其13脚（Q2端）输出高电平、使VL2发光，V饱和导通，K吸合，其常开触头将EL的工作电源接通，照明灯EL点亮。此时因IC的9脚和12脚均为低电平，即使再按动S2，也不能使A2触发翻转。若想关闭照明灯EL，则应再次按动S1，使IC的13脚变为低电平，V截止，K释放，照明灯EL熄灭。
若在接通+6V电源后先按动了S2，则IC的1脚（Q1端）输出高电平，使VL1发光，V导通，K吸合，照明灯EL点亮。与此同时，IC第1脚输出的高电平经R3对C1充电，当C1两端电压充至一定值时，A1翻转，使IC的1脚由高电平变为低电平，VL1熄灭，V截止，K释放，照明灯EL熄灭，从而达到了延时关灯的目的。
三、用CD4013制作的触摸式延时关灯电路的工作原理
线路板图：
触摸式延时开关电路虚线右面是普通照明线路，左部是电子开关部分。VD1～VD4、VS组成开关的主回路，IC组成开关控制回路。平时，VS处于关断状态，灯不亮。VD1～VD4输出220V脉动直流电经R5限流，VD5稳压，C2滤波输出约12V左右的直流电供IC使用。此时LED发光，指示开关位置，便于夜间寻找开关。
IC为双D触发器，只用其中一个D触发器将其接成单稳态电路，稳态时1脚输出低电平，VS关断。当人手触摸一下电极M时，人体泄漏电流经R1、R2分压，其正半周使单稳态电路翻转，1脚输出高电平，经R4加到VS的门极，使VS开通，电灯点亮。这时1脚输出高电平经R3向电容C1充电，使4脚电平逐渐升高直至暂态结束，电路翻回稳态，1脚突变为低电平，VS失去触发电压，交流电过零时即关断，电灯熄灭。
元器件选择
IC采用CMOS数字集成电路CD4013，它为双D触发器，本电路里只使用它的一半，另一个D触发器悬空。VS用2N6565、MCR100-8等小型塑封单向晶闸管，可控制100W以下任何照明电路。VD1～VD4为1N4004～1N4007型整流二极管。LED可用普通红色发光二极管，电阻均为RTX型1/8W碳膜电阻器。C1、C2用CD11-16V型电解电容器，C3为瓷片电容器。
制作与使用
印刷电路参考下图，触摸片采用马口铁制作，并焊接一只2MΩ1/8W电阻，再引线到电路。开关的延时时间主要由R3、C1数值决定，图示数据约1分钟左右。若增大或缩短延时时间，可以增大或减小R3及C1数值。
四、新型声控灯的设计与制作
1、控灯电路组成
1.1声音信号传感器电路
由电阻R1、驻极体话筒BM组成。经 实验，电阻 R1取 值 4.7~24kΩ 均 能 正 常 工 作 。 当 然 ， 当 UBM=UR1时，此时的R1值最为恰当，其动态电压 范围最大。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声 性能好、价格低廉等优点，当其接成漏极输出时， 其增益较高。故驻极体话筒BM的灵敏度很高。
1.2声音信号放大电路
三极管Q1、电阻R2、R3组成基本放大 电路。 R2为基极偏置电阻，R3为集电极电阻，当R2》β Q1*R3时，三极管Q1处于放大状态。C1为音频信号 耦合电容。
1.3 脉冲形成电路
由三极管Q2、二极管D5、电容C6、C7，电阻 R11 等组成开关电路。当三极管Q1集电极输出的音 频信号为负半周时，通过三极管Q2的发射极向C7充 电，三极管Q2导通，在R11上形成正向脉冲电压； 当音频信号为正半周时，电容C7上的正电荷通过D5 快速释放。二极管D5为积存在Q2基极上的正电荷提供通路，不能省略。C6能去除R11上的杂波信号， 为取得 较为有用纯净的脉冲信号立下了汗马功劳。
1.4 脉冲整形电路
由CD4013集成电路D触发器U1A单元、二极管 D2、电阻R4及电容C2组成单稳电路，其作用是将 不规则的脉冲信号整形为宽 度一致的脉冲，其脉冲 宽度由R4、C2的时间常数决定。
1.5双稳态电路
由CD4013集成电路D触发器U1B单元、电阻R8 及 电容C4等组成。R8、C4组成延时电路，使触发 器翻转延时，避免在 0.8s（t=0.7R8*C4）内多个音频 脉冲造成触发器多次翻转，而造成输出状态控制不 准。其输出的高、低电平通过电阻R9控制可控硅的 通、断，即可实现白炽 灯的亮暗控制。
1.6 延时开启电路
由三极管Q3、二极管D1、电容C3、电阻R5、 R6 等组成。当CD4013的第②引脚为高电平时，通过 二极管D1向C3迅速充电，使三极管Q3饱和导通， 电路处于封锁状态，音频脉冲控制无效；当CD4013 的第②引脚为低电平时，电容C3上的电荷通过电阻 R5、R6缓慢放电，放电结束后，三极管Q3截止。 此时，电路才处于延时开启状态，音频脉冲才能正 常控制双稳态电路翻转。选择R6、C3的值，可确定 第一、第二次掌声的有效时间间隔。其时间常数大， 有效时间间隔就长些，也就是说拍手的节拍要慢些 才能控制灯状态的变化；如果时间常数较小，有效 时间间隔就短些，也就是说拍手的速度快些也可控制 灯状态的变化。按图3中所示，其有效延时时间间 隔约为0.29s（根据C3的放电电压曲线uC=E*e-t/τ， 其中时间常数τ=R6*C3。取uC3=0.7V、E=11.3V， 得t=2.78τ=0.29s，详见图4中UC3波形）。注意： R6、C3的时间常数要远远小于R4、C2的时间常数 才行。
1.7简易电源电路
市电经整流堆D3桥式整流电路整流，形成 100Hz 的脉动直流电。经R10限流降压，电容C5滤波，稳 压管DW5稳压，就形成简易12V稳压电源了。由于 控制电路的工作电流很小，故电阻R10可取大些， 取值范围为100~150kΩ均可正常工作，其功率取值 为1W。
2、声控灯工作原理
2.1 声控开灯过程
加上市电后，三极管Q1处于放大状态，三极管 Q2处于截止状态，CD4013的①脚、○13脚输出低 电平，可控硅D4处于关断状态，灯不亮。②脚输出高电平，三极管Q3处于饱和状态，○12脚输出高电平 信号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据 端D2上，故⑨脚为高电平。当出现第一次掌声时， 三极管Q2饱和导通，在R11上形成第一个正向脉冲 电压，此信号经D触发器U1A单元组成的单稳电路 整形，①脚输出高电平脉冲，其脉冲宽度为0.8s （tW=0.7R4*C2≈0.8s），详见图4中U1的波形图。C3 经R6放电，三极管Q3延时截止（详见图4中UC3的波 形图），为第二个音频脉冲控制双稳态电路做准备。 由于第一个正向脉冲电压出现时，三极管Q3还处于 饱和状态，故此信号被封锁，不能控制由D触发器 U2B单元组成的双稳态电路。在出现第一次掌声后 的大于0.29s小于0.8s时间内，当出现第二次掌声时， 三极管Q2再次饱和导通，在R11上形成第二个正向 脉冲电压，此脉冲对单稳电路无效，却能控制双稳 态电路的状态翻转，因为此时三极管Q3已截止。因 此，当连续出现两个脉冲时，双稳态电路的状态才 翻转一次，○13脚由低电平变为高电平，可控硅D4 获得触发电压而导通，灯由暗变为亮，实现了声控 开灯的目的。
2.2 声控关灯过程
当灯亮时，三极管Q1处于放大状态，三极管Q2处于截止状态，CD4013的①脚输出低电平、O13脚输出高电平，可控硅D4处于导通状态，②脚输出高电平，三极管Q3处于饱和状态；O12脚输出低电平信号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据端D2土，故⑨脚为低电平。同理，只有当连续出现两个脉冲时，双稳态电路的状态才翻转一次，O13脚输出低电平，可控硅D4失去触发电压，脉动直流电过零时即关断，灯由亮变为暗，实现了声控关灯的目的。当无声控信号时，电路又进入等待状态。只有再次出现连续的两次掌声时，电路才会重新动作，重复声控开灯的过程。综上所述，本电路不会因为人的说话声或者其他普通声源干扰而受到影响！其抗干扰能力比常见声控开关要强：二次拍手亮，二次拍手暗。而且要求二次拍手的时间间隔大于0．3s小于0．8s，满足条件的拍掌声有效，否则无效。这样的控制才是“智能化”的控制，才是生活中需要的控制。
相关文章
发表评论