数字脉冲宽度测量仪-文亚平.doc

广西交通职业技术学院信息工程系

作品设计报告书

题 目： 数字脉冲宽度测量仪

课程名称： 课程设计
班 级： 电信2006班
组 长：2006415044 文亚平
组 员： 2006415041 韦艳 2006415029 审海洋
指导老师： 成世龙

二OO九 年 一月

目 录
一、期考作品设计目标………………………………………………………2
1.1功能要求………………………………………………………………………2
二、 期考作品设计方案论证与比………………………………………2
2.1 各模块方案选择和论证…………………………………………………2
2.2.1振荡器的选择……………………………………………………………2
2.2.2显示器的选择……………………………………………………………2
三、系统的硬件设计与实…………………………………………………2
3.1 系统硬件概述………………………………………………………………2
3.2 主要单元电路的设计………………………………………………………3
3.2.1 石英晶体振荡器电路的设………………………………………… 3
3.2.2分频电路的设计…………………………………………………………4
3.2.3测量控制电路的设计………………………………………………… 4
3.2.4计数器、译码器和显示器电路的设计…………………………… 5
四、系统测试……………………………………………………………………6
4.1 测试仪器…………………………………………………………………… 6
五、期考作品调试过程分析………………………………………………6
六、期考作品设计制作总结………………………………………………7
七、期考作品提交及演示………………………………………………… 7
八、致谢词……………………………………………………………………… 8
九、参考资料……………………………………………………………………8
附录一：系统电路图…………………………………………………………9
附录二：系统主要元件清单………………………………………………10
一、期考作品设计目标
1.1　功能要求：
①测量时间范围：1～9999ms
②测量单个正脉冲或负脉冲宽度时间
③测量误差：±1字数字
④手动测量
⑤手动清零
二、期考作品设计方案论证与比较
2.1 各模块方案选择和论证
2.2.1振荡器的选择：
方案一： 555多谐振荡器，利用电阻电容的充放电和触发器来实现各种波形。价格低廉，但频率稳定度稍差。
方案二：石英晶体振荡器测量时间精度较高，可产生标准计量时间，即时标脉冲，故本方案采用后者。
2.2.2显示器选择
方案一：采用LED显示屏，可显示中西文及阿拉伯数字，常用字符及各种图案信息，具有图像编辑功能和文字编辑功能，但价格昂贵。
方案二：采用数码管显示。它能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与cmos、itl电路兼容。体积小，重量轻，抗冲击性能好寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。故选择后者。
三、 系统的硬件设计与实现
3.1 系统硬件概述
数字脉冲宽度测量仪的框图如图1-1所示：
门控电路
控制门
主控门
计数器
译码器
显示器
石英
振荡器
分频电路

图1-1数字脉冲宽度测量仪的原理框图
在测量启动信号和被测信号共同作用，门控电路输出一个宽度等于被测脉冲周期的正脉冲，这时控制门输出一个宽度等于被测脉冲宽度 tx 的正脉冲给主控门，其另一个输入端周期T=1 ms 的时标信号，通过主控门送计数器译码显示电路进行计数显示。当被测的第一 个正脉冲接受时，控制门输出低电平，主控门随之关闭输出低电平，计数接受，显示器的数字为被测脉冲宽度的时间。每进行一次测量，只能测一个正脉宽度的时间。
时标信号是由石英晶体振荡器输出的脉冲信号经若干次分频后获得的周期T=1ms（f=1KHz）的脉冲。由于石英晶体振荡器输出脉冲的频率准确而稳定，因此，时标脉冲的周期T=1ms是很准确的，约感其作为计时标准，可提高计时的精确度。如对计时精度要求不高时，则时标脉冲可由普通振荡器获得。
3.2 主要单元电路的设计
3.2.1 石英晶体振荡器电路的设计
为得到频率稳定性很高的振荡信号，多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。石英晶体的电路符号及振荡电路如图1-2所示。

图1-2　振荡电路
在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产有利于一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。
石英晶体的选频特性非常好，串联谐振频率fs也极为稳定，且等效品质因数Q值很高。只有频率为fs的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。
　　电路中并联在两个反相器4069输入，输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区，R的阻值分别为3.3k和2.7k。电容C1用于两个反相器间的耦合，而C2的作用，则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。电容C2的选择应使2πRC2fs≈1，从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。C1的选择应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计。
电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R，C的数值无关。这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡。
为了改善输出波形,增强带负载的能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器4069。输入的信号为4MHz，这样输出的信号频率为4MHz。
3.2.2分频电路的设计
由于石英晶体振荡器输出信号的频率为1MHz，为了获得周期T=1ms的时标脉冲，需采用三级分频电路 。如下图。三级十分频电路可由4024（1）～40242）组成，分频信号由EN端输入，经三级十分频电路后，最后一级分频电路便输出1KHz的脉冲信号，即T=1ms。

分频电路
3.2.3测量控制电路的设计
电路如下图，它由清零控制门、控制电路和控制门组成。其工作原理：当按下清零控制开关S2时，清零控制门G2输入高电平，其一路送触发器FF2和计数器4518（1）～4518（4）的清零端，使4位计数器和触发器FF2同时清零。另一路竟G3反相输出低电平，使G4输出高电平，触发器FF1也清零，这时，Q1=Q2=0、/Q2=1。S2时，G3输入接低电平地，输出高电平，这时G4输出低电平0。FF1和FF2处于工作状态。
当按下测量控制开关S1FF1时钟端CP输入为负跃变，不起作用。当S1时，FF1的时钟端输入正跃变，其由0状态翻到1状态，Q1=1，即FF2的D2=1，在输入被测正脉冲us的上升沿同时送到FF2的时钟端和控制门的输入端，FF2由0状态翻到1状态，Q2=1，控制门输出高电平，这时/Q2=0，使FF1清零，Q1=0，即D2=0。当被测正脉冲us
结束时，即us负跃到低电平，控制门关闭，输出随之回到低电平。在下一个脉冲us的上升到达时，FF2由1状态回到0状态。Q2=1、/Q2=1，因此，当被测信号为周期性矩形脉冲时，控制门只能输出一个宽度等于被测脉冲us宽度的正脉冲。
测量控制电路
CD4011芯片如图所示：
该器件为16脚封装,各端脚作用如下：⑴为8421BCD码输入端，⑵为8421BCD码输入端，⑶为测试信号的输入端，⒁为消隐输入控制端，⑸为锁定控制端，⑹为8421BCD码输入端，⑺为8421BCD码输入端，⑻为接地端，⑼～⒂为译码输出端，⒃为VCC

3.2.4计数器、译码器和显示器电路的设计
电路如图所示。由于计数器的最大计数容量为9999 ms，因此，需采用4位十进制计数器进行计数，从高位到低位分别为千位、百位、十位和个位。它们由同步计数器4518（4）～4518（1）组成。计数脉冲由EN端输入，为来自主控门输出的时标脉冲，这时CP端接低电平。进位信号由低位计数器Q3端送到相邻高位计数器的EN端。当计到9时，计数器状态为Q3Q2Q1=1001，当计到10时，计数器或到初始的0状态，即Q3Q2Q1Q0=0000，同时Q3送出一个负跳变得进位信号，使相邻高位计数器进行加1计数，从而实现了十进制计数。计数器输出8421BCD码。S2为清零控制开关。当按下S2时，4位计数器的清零控制端接高电平+5V，计数器请零，Q3Q2Q1Q0=0000；当放开S2时，计数器请零端CR接地，计数器处于计数状态。
4位译码器选用BCD输入的4线-7段锁存译码器/驱动器4511，可直接驱动LED数码管显示器。其代码输入端为A3A2A1A0，输入8421BCD码。七个输出端为Ya～Yg，高电平有效，分别和共阴LED数码显示器的a～g七个发光段相连。为防止数码显示器被烧坏，七个发光段与译码器输出之间应分别串入100Ω～510Ω的限流电阻。
为保证4511能正常工作，其消隐输入端/BI 和灯测试输入端/LT应接高电平，而数据锁存控制端LE则应接低电平。

四.系统测试
调试过程有如下结果：
方波A路频率
方波A路幅度
结果显示
1Hz
5V
500
10Hz
5V
50
100Hz
5V
5

五、期考作品调试过程分析
1.检查安装接线
①用万用表×1Ω档测量电源端和地线端间的电阻，以排除电源短路。
②检查电路安装接线。集成芯片安插的方向是否一致；电路连否出错；电子元器件的插接或焊接的极性是否正确。如二极管、三极管、电解电容安装是否正确；要特别注意检查集成芯片使能端的连接和门电路闲置输入端的连接是否正确。检查接线无误后，可接通电源开始调试。
2.振荡与分频电路的调试
用示波器观察石英晶体振荡器是否已振荡，输出波形是否正常。石英晶体震荡器正常工作时，G1输出波形峰-峰值约为3V左右，频率为1MZ，经G2整形后，输出脉冲的幅度不小于4V，并送分频电路进行分频。
分频电路由三级十分频电路（十进制计数器）4518（5）～4518（7）组成，其输入来自石英晶体振荡器输出1MZ的脉冲信号。正常工作时，每经一级十分频电路，输出脉冲的频率降低十倍（即十分频）。因此，三级十分频电路输出脉冲的频率分别为100KHZ、10KHZ、1KHZ。
3.计数器、译码器和显示器的调试
将各位计数器的进位线断开，在输入端输入幅度在4.5V左右的1HZ脉冲信号，观察数码显示器显示的数字是否正常。如各级即使器、译码器和显示器工作正常时，可连通各级计数器的进位线，第一级计数器输入4.5V的100HZ脉冲信号，观察各位显示器工作是否正常。
4.测量控制电路的调试
①按下清零控制开关S2,G3输入为高电平，用万用表测量Q1和Q2端的电压，应为低电平。
②按下测量控制开关S1并放开，用万用表测量 Q1端电压，应为高电平。
③用万用表控制门G5的输出电压，当输入被测正脉冲时，如万用表指针晃动一次，则说明测量控制电路的工作正常。
5.整机调试
①各部分电路调试都很正常工作后，可按整机框图连接起来进行整机调试。
②输入端输入被测脉冲，首先按下清零控制开关S2，观察4位数字显示情况，如都显示0，说明清零功能正常。
③按下并放开测量控制开关S1，观察4位数码管显示器是否数字显示，如连续进行多次测量，且每次测量显示的数字相同，或相差仅为±1个数字时，则说明设计的脉冲宽度测量仪工作正常。

六、期考作品设计制作总结
通过这次实训，老师给予我们更多的想发展空间，不仅提高了我们自主的思维能力、分析问题的能力，还有设计电路的能力。也让我们将这两年学到的知识更好的结合，同时也提高了我们的焊接能力和编程思维能力。在调试的过程中也学会了怎么分析问题，寻找根源的解决问题。虽然在调试的时候我们遇到了很多的困难，但我们始终是迎刃而上，没有被困难所击倒。感谢老师给了我们这次锻炼的机会。让我们扎实自己，完善自我，学以致用，实现学习的目的。同时也认识到自己的不足之处，基础知识不够扎实。所以在下次的实训中要改掉自己的不足把好的继续发扬，让自己的技术水平得到进一步的提高。
在这次的实训过程中，我们查阅很多资料，修改很多次电路，仿真后能够实现作品要求但电路中仍然出现问题。所以我们首先接上电源、模拟信号输入和数字信号输入。然后对电路采用一步一步排除问题的方法将电路进行问题排除。第一步为振荡电路，我们将电路中使用的74HC04芯片改为CD4096芯片，振荡电路检查完毕。第二步分频电路，电路中不能准确的分频出1KHz，所以我们将分频电路中使用的CD4013芯片改为CD4024芯片，修改检查无误后，进行第三步为测量控制电路，输出端部能正常地输出高低电平。对这一模块进行检查，CD4011芯片工作正常，但CD4013芯片不能正常输出，所以我们将原来电路的一个CD4013改为两个CD4013，这样就能正常输出高低触发电平，而CD4081芯片也由7411代替才能够 有一个正确的主控门。第四步则检查显示计数译码与显示电路是否能正常工作。
经过这次实训也让我懂得了，仿真软件成功后在实际作品中不是就能一定成功，所以要有坚持不懈和勇于探讨的精神。这样的成功才是真正的成功。
七、期考作品提交及演示
首先在测试的时候接入被测的脉冲信号，当按下清零键S2时，4518的CR都将为高电平，而4013的清零脚也在此时为高电平即将计数清零，再按下计数键S1，此时有一个正向脉冲给4013的第三脚，当4013有一个正向脉冲时其内部发生翻转，其1Q端输出为1，当1KHZ的正向脉冲到来时，2Q输出1，又当1KHZ的正向脉冲到来时，与门开启，送至4518的第二脚与其计数，直到测完被测信号的脉冲宽度，当脉冲宽度一到低电平时4013的Q端输出为0，7411输出为0即计数停止。这样就完成了一次脉冲宽度的测量了。若要测量另一个信号脉冲宽度，先按清零键，再按计数键就可以完成其它信号脉冲宽度的测量。
八、致谢词
这次的实训，老师给予我们很大的发展空间，让我们更好的发挥自己，以及更好发现自己的不足。这次实训的完成也提高了我们的主观能动性，开阔我们的视野，巩固我们的知识。
所以我要首先感谢系部给我们提供了完整的教学设备，让我们无顾虑的学习，同时也学习到现在社会的一些先进仪器，让我们在以后的社会中发展更有保障。还要感谢我们的成老师，因为他懂得调动我们的活跃性，提高我们的自主学习的能力，而不是死读书，让我们硬件软件结合，使我们的知识更加牢固。
作品从开始到结束用了六个星期。在这六星期里，也让我学到了团结的力量，因为有些时候，自己不能解答的问题同学可以跟你一起寻求答案。与你一起并肩作战，这让我们学会了合作的重要性，这是将来在社会立足的关键，因为没有哪家公司喜欢孤僻，不合群的员工。所以我要学习更多的知识，以回报系部，回报老师。
学校三年的学习就快到尾声了，在这两年多里，我学到最宝贵的不仅是老师授予我们课本上的东西，最主要的是提高我们的动手，思维能力。同时在学习中不断的教会我们如何在将来的社会中立足与竞争。老师也在班会上展开很多活动，让我们练习自己的口头表达能力、语言组织能力以及自己的胆量。经过这些练习，让我了解的到，在这个信息化时代，要懂得抓住机遇，挑战自己，要懂得先别人一步，展现自己。

九、参考资料
1.模拟电子技术 黄强 主编
2.百度网站
3.谷歌网站

附录一：系统电路图
附录二：系统主要元件清单

序号
元件名称
规格型号
数量（个）
备注
1
数码管
共阴
4
显示
2
4511芯片
DIP-16
4
译码器
3
4518芯片
DIP-16
7
分频
4
4013芯片
DIP-14
2
触发
5
4511芯片
DIP-14
8
编码
6
74HC04
DIP-14
2
非门
7
电阻
270Ω
28
限流
8
电阻
1KΩ
1
振荡电路中
9
电阻
5.1KΩ
3
上拉
10
电阻
10KΩ
2
上拉
11
单刀双掷开关

2
开关选择
12
晶振
4.096M
1
无
13
电容
22UF等
若干
滤波

10