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新型位移电涡流传感器设计作者：张尚坤来源：《现代电子技术》2013年第08期摘要：电涡流传感器具有对介质不敏感、非接触、全方位智能测量等特点，广泛应用于对金属的距离检测中。
为提高普通电涡流传感器的灵敏度和增大检测距离，设计了一种新型非接触宽线性范围的位移电涡流传感器。
实验结果表明，当电涡流传感器的探头直径为50 mm 时，测量位移在2～29.5 mm之间线性度较好，在0～2 mm和29.5～35 mm中存在一定的非线性。
关键词：电涡流传感器；探头；测量电路；非接触测量中图分类号： TN911⁃34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）08⁃0140⁃030 引言电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测。
其可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。
从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的各种运行状态，测量结果可靠、可信。
本文主要针对电涡流传感器对金属的探测距离小，而在某些场合可能需要远距离金属探测的这种情况。
本文设计了一种新型非接触宽线性范围的电涡流传感器，能提高电涡流传感器的灵敏度和检测距离。
1 电涡流传感器测距原理图1所示为电涡流测距原理图。
在图1中，当传感器头部线圈充有电流I时，在头部线圈中心附近就会产生磁场H1。
由电磁场理论可知，当磁场H1附近没有金属或远离金属时，则发射的磁场能量就会释放；反之，则金属的表面将会在H1中感应产生涡流电场，该电场同样也会产生交变磁场H2，方向与H1相反。
在H2的驱动下，传感器头部线圈电流I的幅度大小和相位就会不断变化改变，即线圈的有效阻抗会发生变化。
这种变化的大小与传感器头部线圈到金属导体的距离等参数有关[1⁃3]。
电涡流传感器小位移测量系统设计及性能分析张萍,仲军(银川能源学院电力学院，宁夏银川750105)摘要:根据电涡流传感器的测距原理，设计并搭建了电涡流传感器的测量电路，外加螺旋测微器、电源和数显电压表构成了电涡流传感器的测距系统，研究了传感器与被测金属导体之间距离变化、被测金属导体材质及面积大小对传感器性能和灵敏度的影响，得到它们之间的定性关系，从而为实际应用中选择电涡流传感器进行小位移时满足较高灵敏度的要求提供了有利的指导依据。
关键词:电涡流传感器；测距原理；测量电路；灵敏度分析中图分类号：TP212.13文献标志码:A文章编号:1003-7241(2019)07-0115-04Design of Displacement Measurement System for EddyCurrent Sensor and Performance AnalysisZHANG Ping,ZHONG Jun(Electric power Department Yinchuan Energy Institute,Yinchuan 750105China )Abstract:According to the measurement principle of the eddy current sensor.This paper designs and builtds the measurement cir-cuit,pluses the spiral micrometer,power supply and digital voltmeter to constitutel the eddy current sensor ranging sys-tem,studies the influence of the distance between the sensor and the measured metal conductor,the material and the size of the metal conductor on the performance and sensitivity of the sensor,gets the qualitative relationship between them,which provides a favorable guidance for the selection of the eddy current sensor when small displacement is used in the practical application to meet the requirements of the high sensor sensitivity.Key words:dddy current sensor;principle of distance measurement;measuring circuit;sensitivity analysis收稿日期:2018-05-281引言电涡流传感器于上世纪70年代得到迅速发展，基于电涡流效应进行工作。
电涡流位移传感器设计技术要求：1、量程：0～20mm2、精度：1mm3、激励频率：1M Hz4、输入电压：24V5、介质温度: -50℃～250℃6、表面的粗糟度: 0.4μm～0.8μm7、线性误差：＜±2%8、工作温度：探头（-20～120）℃，延长电缆（-20～120）℃，前置器（-30～50）℃9、频率响应：0～5KHz一、总体设计方案电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。
它是一种非接触的线性化计量工具。
电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。
根据下面的组成框图，构成传感器。
根据组成框图，具体说明各个组成部分的材料：（1）敏感元件：传感器探头线圈是通过与被测导体之间的相互作用，从而产生被测信号的部分，它是由多股漆包铜线绕制的一个扁平线圈固定在框架上构成，线圈框架的材料是聚四氟乙烯，其顺耗小，电性能好，热膨胀系数小。
（2）传感元件: 前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，测量电路完全装在前置器中，并用环氧树脂灌封。
（3）测量电路：本电路拟采用晶体振子及其外围电路来产生振荡。
同时考虑到当采用晶体振子构成正弦波振荡电路时，有众多的模拟要素需要处理。
如电路常数的确定，工作点的设定和负载阻抗的选用等。
因此本电路将采用由COMS反向器与晶体振子组成的最简单且稳定性高的电路，来产生频率为1M的方波信号源。
二、电涡流传感器的基本原理2.1 电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图2-2中所示。
与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。
实验二(1)电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤：1、根据图8－1安装电涡流传感器。
图8－1电涡流传感器安装示意图图8-1电涡流传感器安装示意图图8－2电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端V i相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入表8－1。
表8－1电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）V(v)8、根据表8－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
实验二(2)被测体材质对电涡流传感器特性影响一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
二、基本原理：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
三、需用器件与单元：除与实验二(1)相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。
四、实验步骤：1、传感器安装与实验二(1)相同。
文献综述电涡流位移传感器信号调理与位移显示电路的设计在基础学科研究和现代工业生产中，传感器具有不可或缺的作用。
电涡流位移传感器是一种据电涡流效应制成的常用物理传感器，其输出振荡电压随被测体（必须是金属导体）与探头之间的距离变化而变化，因此能测量被测体发生的静态和动态的相对位移变化,从而被广泛地应用于数据采集系统中。
目前国内研制的多数电涡流位移传感器测量物体位移变化时输出都是电压信号的绝对值，由于被测体位移相对变化很小，而传感器输出的电压信号初始值太大，以致变化量很小，从而不能很好地反映被测体位移的变化。
本课题即是对电涡流位移传感器进行信号调理设计，通过减法放大电路使传感器输出电压减去初始值后再进行放大，从而保证被放大的电压只对应位移变化部分，且从零点开始。
然后基于单片机设计传感器的工作电源和输出位移的显示电路，使输入输出信号都能清楚、直观地显示。
下图1是通用数据采集系统的组成和信号传输流程。
可见，信号调理电路是数据采集系统的重要组成部分。
信号处理电路，就是把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
传感器测量的很多物理量，如位移、温度、压力、光强等，输出后都是相当小的电压、电流或电阻变化，必须对其进行调理，即利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等)将信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号，以便用于系统的数据处理。
图1黎琼，陈文庆，温泉彻[3]介绍了通用数据采集系统的组成及信号调理的重要性，然后以热电偶温度传感器及热电偶温度变送器为例，说明了传感器调理一般应包含补偿、线性化和激励三部分内容，且介绍了变送器与传感器的主要区别。
最后在给出典型信号调理电路的基础上，说明了通用数据调理功能（放大、隔离、滤波和数字信号调理）及电路实现，对基于PC机和ADC卡的通用数据采集系统的信号调理具有借鉴作用。
乔巍，杜爱玲，陈春，叶生[4]针对基于微控制器和PC的高速数据采集系统,分析了信号调理电路功能及必要性,并在此基础上给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。
实验二 电涡流传感器位移实验一、实验目的1．了解涡流式传感器的原理及工作性能。
2．熟悉实验仪器，掌握传感器使用过程中的注意事项。
二、结构和原理(此部分不用写在实验报告上)电涡流传感器是一种能将机械位移，振幅和转速等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。
它由探头，变换器，连接电缆及被测导体组成，是实现非接触测量的理想工具。
其最大特点就是结构简单，可以实现非接触测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽、体积小等特点，因此在工业测量领域得到了越来越广泛的应用。
1. 涡流效应当金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流就像水中的漩涡那样，在导体内部形成闭合回路，我们通常称之为“电涡流”，称这种现象为“涡流效应”。
电涡流传感器就是在涡流效应的基础上建立起来的。
电涡流传感器的基本原理如图3.9.1所示。
一个通有交变电流1I 的传感线圈，由于电流的周期性变化，在线圈周围就产生了一个交变磁场1H 。
如被测导体置于该磁场范围之内，被测导体便产生涡流2I ，电涡流也将产生一个新的磁场2H ，2H 和1H 方向相反，由于磁场2H 的反作用使通电线圈的等效阻抗发生变化。
当金属导体靠近线圈时，金属导体产生涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t 、线圈与金属导体间的距离s 以及线圈激励电流的大小和角频率ω等参数有关。
如固定其中某些参数，就能按涡流的大小测量出另外一些参数。
为了简化问题，我们把金属导体 理解为一个短路线圈，并用2R 表示这个短路线圈的电阻；用2L 表示它的电感；用M 表示图3.9.2 等效电路U1—传感线圈；2—金属导体图3.9.1 电涡流式传感器基本原理示意图2它与空心线圈之间的互感；再假设电涡流空心线圈的电阻与电感分别为1R 和1L ，就可画出如图3.9.2所示的等效电路。
经推导电涡流线圈受被测金属导体影响后的等效阻抗为L j R L L R M L j L R M R R I U Z ωωωωωωω+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛++==22222222122222222111式中 R —电涡流线圈工作时的等效电阻；L —电涡流线圈工作时的等效电感。
目录0 前言(章标题为黑体四号字，左对齐，段前段后距离均为6磅，设为标题1，下同) (1)1 总体方案设计 (2)2 硬件电路设计 (4)2.1 单片机最小系统............................................................................. 错误！未定义书签。
2.1.1 RC 时钟电路 (5)3 软件设计 (5)3.1 数据采集子程序的设计................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.1计算温度子程序 (5)3.2 数字显示子程序的设计................................................................. 错误！未定义书签。
4 调试分析 (16)5. 结论及进一步设想（需说明的问题） (16)参考文献（标题1） (17)课设体会 (18)附录1 元件清单........................................................................................ 错误！未定义书签。
附录2 实验电路原理图 (21)基于电涡流传感器的位移计设计（LCD）摘要：本文设计了一种基于单片机控制的数字位移计，由A/D转换器、单片机、键盘报警装置和LCD显示等几部分组成，主要使用了ADC0808、8031、LCD主要器件，主要解决方案是利用电涡流传感器位移特性、单片机实验箱（含A/D转换）、单片机仿真器等设计一个能用LCD实时显示物体位移的智能位移计。
本次设计用汇编语言进行编程，实现电涡流测位移的功能,即对位移的实时测量并显示，位移显示为X.XX mm。
优点是位移仪的放大电路将电涡流传感器输出的微弱模拟信号放大，通过LCD能直观的显示出你所测的数据。
目录0 前言(章标题为黑体四号字，左对齐，段前段后距离均为6磅，设为标题1，下同) (1)1 总体方案设计 (2)2 硬件电路设计 (4)2.1 单片机最小系统............................................................................. 错误！未定义书签。
2.1.1 RC 时钟电路 (5)3 软件设计 (5)3.1 数据采集子程序的设计................................................................. 错误！未定义书签。
3.1.1计算温度子程序 (5)3.2 数字显示子程序的设计................................................................. 错误！未定义书签。
4 调试分析 (16)5. 结论及进一步设想（需说明的问题） (16)参考文献（标题1） (17)课设体会 (18)附录1 元件清单........................................................................................ 错误！未定义书签。
附录2 实验电路原理图 (21)基于电涡流传感器的位移计设计（LCD）摘要：本文设计了一种基于单片机控制的数字位移计，由A/D转换器、单片机、键盘报警装置和LCD显示等几部分组成，主要使用了ADC0808、8031、LCD主要器件，主要解决方案是利用电涡流传感器位移特性、单片机实验箱（含A/D转换）、单片机仿真器等设计一个能用LCD实时显示物体位移的智能位移计。
本次设计用汇编语言进行编程，实现电涡流测位移的功能,即对位移的实时测量并显示，位移显示为X.XX mm。
优点是位移仪的放大电路将电涡流传感器输出的微弱模拟信号放大，通过LCD能直观的显示出你所测的数据。
关键词：单片机；DS18B20 ；LCD液晶显示{ “摘要”二字为小四号黑体，摘要内容为小四号宋体字，行距为固定值20磅；“关键词”三字为黑体小四号，以下所列词条为宋体小四号。
}0 前言(章标题为黑体四号字，左对齐，段前段后距离均为6磅，设为标题1，下同)可以有以下的一些内容：1. 本课题的背景、目的、意义。
2.本课题的技术指标或设计要求、研究方案、技术路线与特点等。
位移测量在贸易计量以及工业生产过程中起着十分重要的作用，作为位移测量仪器，智能电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高、测量速度快、操作简单易学。
可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品。
本次设计实验需要把重量等非电量的变化转换为电量的变化输出，因此必须通过传感器实现这一功能，为接下来通过单片机测量、控制和显示铺平了道路。
在本次设计中采用的是电阻应变式单臂电桥传感器。
单片机的诞生，会各种职能仪器的产生和发展起到了很大的推进作用，所谓单片机，普遍认为它是在一块硅片上集成了中央处理器单元（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM），和各种输入输出端口（定时器、计数器、并行I/O口、串行口、A/D转换器以及各种脉冲调节器等），这样的一块芯片具有一台计算机的功能。
因而被称为单片微型计算机。
单片机的优点是体积小、重量轻，抗干扰能力强，对环境要求高，价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
本次课设利用单片机的上述特点将传统的重量测量系统升级为智能电子秤，设计一个能对重量信息进行实时数据采集、处理及显示，并可用键盘设定阈值且具有超值报警功能的电子秤。
（正文内容为小四号字宋体，全文行距：20磅的固定值。
页面格式：页面纸张为A4、版面设置：左2.5厘米、右2.0厘米、上2.8厘米、下2.4厘米，左侧装订页眉2.2厘米，页脚2.0厘米。
）1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用电涡流传感器进行位移的测量，转化了的位移信号由传感器直接得到了数字信号。
主要任务是基于热电阻温度传感器的温度测试仪的设计，利用电涡流传感器、单片机实验箱、单片机仿真器等设计一个能用LCD 显示位移的位移测试仪。
并显示为X.XX mm该位移测量仪的设计，在总体上大致可分为两大部份：硬件的设计、软件的设计。
系统设计总体流程图如图1所示。
图1 系统设计总体流程图首先通过大电涡流传感器来进行对位移的采集。
电涡流传感器将位移变化转换为电压变化，再经过滤波放大电路将得到的电压值放大到0～5V之间，而在这个过程中我们所采集的电压值与位移值在开始时称非线性关系，所以我们应把非线性部份去掉，取线性部份，即为1～4v之间。
以保证其电压值在A/D转换器的满刻度范围内。
由于智能仪器所处理的对象大部分是模拟量，而微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟量必须先通过A/D转换器转成数字量，并通过适当的接口送入微处理器。
将电涡流传感器测量的位移与所对应的电压值建立一种线性关系，编写单片机程序，将对应的值进行相互转换为并通过LCD数码管显示。
同时编写程序，实现键盘按键设定阈值，当测量数据超过阈值时，实现报警功能。
2 硬件电路设计对于单片机控制的位移测试仪，在实际使用中需要亲切的开始界面，人性化阈值设定界面，和清晰简明的测试界面。
单片机的程序不仅要分别对A/D转换、LCD显示、键盘、报警等电路控制，还要对A/D转换的结果与阈值比较，实现超值报警的功能，还有就是要对A/D转换后的数字量进行线性变换，以达到转换成位移值的目的。
基于以上的分析，正确地计算出采样信息中所对应的位移值，用单片机汇编语言编写程序，先设定阈值，再对采样后数据A/D转换，线性变换成温度值，与阈值比较，实现超值报警的功能。
按照以上的要求设计，不仅要完成以上的各个功能，并且实现了对前面板设计的美观大方、操作方便，后面板审计的简洁、布线合理、功能完善。
硬件原理框图如图2.所示图2 硬件原理框图根据课设题目要求，利用电涡流传感器、单片机实验箱、单片机仿真器等设计一个能用LCD显示温度的智能温度测试仪。
本次设计采用电涡流传感器，而硬件部分采用了位移采集电路、放大电路、A/D转换电路、数据处理电路、LCD显示电路、键盘按键电路以及报警电路。
下面对各部分电路进行简要介绍：1、位移采集电路：本次设计运用电涡流传感器对位移进行控以及调节其变化。
位移控制仪会显示当前位移值为多少。
2、放大电路：由于经过电涡流传感器测得的位移转化后的电压值较小，所以需要放大电路对小信号进行放大。
根据测量要求，结合ADC0809对输入电压范围的要求，将增益调节到适当位置，以满足经放大电路后得到的电压值应在0～5V之间，但是由于电涡流传感器测得的位移在开始时称非线性，所以应截取线性部分。
以保证其电压值在A/D转换器的满刻度范围内。
3、A/D转换电路：单片机接收的信号应是数字信号，而电涡流传感器输出的信号是模拟信号。
所以需要一个A/D转换电路完成由模拟量向数字量的转换。
4、数据处理电路：对采集的信号，按照位移与电压的线性关系，编写程序实现各组数据相互对应。
5、LCD显示电路：将按照线性变化后的数据转换，显示到LCD数码管中，实现对被测位移值的展现。
6、键盘按键电路及报警电路：通过对键盘按键设定阈值，并通过分析判断，当被测温度值超过设定的阈值时，报警灯亮实现电路报警功能。
2.1电涡流传感器通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。
电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤：根据图15－1安装电涡流传感器。
图8－1电涡流传感器安装示意图图15－1 电涡流传感器安装示意图图15－2电涡流传感器位移实验接线图观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
将实验模板输出端V o与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入表15－1。
表15－1电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）V(v)根据表15－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
2.2放大电路在输入通道，如果光纤传感器的输出信号电平太小，则进行A/D转换时，对信号进行电压放大是必需的。
光纤传感器的输出电压为毫伏级，而单片机所处理的电压为0—5V，所以必须加入实现电压放大的电路，我们选用简单稳定的差动放大电路，使输出电压为0～5V，从而为后续的A/D转换电路提供必要条件。
由于传感器两个输出端常有较大的共模干扰信号。
通常由一组运算放大器构成测量放大器，对传感器输出的微小信号进行放大，这类放大器也称为仪器放大器。
目前多采用单片测量放大集成芯片进行放大，这种芯片性能可靠，体积小，成本低。
放大电路图如图3所示2.3单片机系统(各章中可根据内容分为若干节论述，格式为：节标题小四号黑体字，左对齐，段前段后行距为6磅，设为标题2，下同)2.3.1单片机的选择追述单片机的历史，8位单片机是80年代以来工业检测、控制应用的主角。
市场上常用的8位单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。
其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。
然而作为本系统的核心元件，选择哪一型号的MCS-51单片机是关键的问题8031单片机片内不带程序存储器ROM，使用时需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
