实验十六 简易脉宽测量电路 脉宽测量设计用来测量一个PWM波的高电平持续时间进而可以实现信号的占空比测量。一 设计要求 用常用数字电路IC设计一个脉宽测量，主要技术指标如下：1) 能显示三位计数值，时间单位为毫秒。1） 被测量脉冲的频率范围1HZ100HZ，10KHZ的时间基准信号由信号发生器提供。2） 能测量信号的高低电平宽度，实现占空比测量。3） 写出设计过程，画出逻辑图。二 要求完成的任务1） 利用软件（如modelsin）进行设计输入，设计仿真，使其具备设计要求的逻辑功能。2） 根据前期的设计搭建数字电路，调试系统。3） 画出完整的电路图，写出设计总结报告4） 基准频率由晶振电路分频产生，存储前后两次的测量数据，实现占空比测量。三 工作原理及设计思路 10KHZ的矩形脉冲信号由信号发生器提供，它和分频器组成一个时间标准信号电路，用以产生1ms的计时时间。通过计数器，译码器和显示器显示出被测脉冲的宽度。被测量信号Fx为周期性矩形脉冲。在测量控制信号启动后，控制器使控制门只能让被测信号Fx的第一个正脉冲通过，从而测出脉冲宽度Tw的时间，因此，控制器应由触发器和门电路组成。四设计框图总体框图如下： 分频器10KHZ控制器控制门主控门显示器译码器计数器测量控制被测信号清零K1KHZ五参考原理图以下是实现的一种参考方案： 1D 1CP1SD 1Q 1RD1D 1SD1CP 1Q 1RD2SD 2Q2CP 2 RD 2D11QD QC QB QA74LS160 ENPLOAD ENT CLK CLRQD QC QB QA ENTCO ENP74LS160 LOADCLK CLR “1”“1”VccVccVcc接译码器Fx标准信号U1U2U3U4U5U1AU2AU2BK六 电路原理其中被测信号Fx为100HZ1KHZ信号源，我们的主控门为U4，我们的标准信号源频率为1KHZ10KHZ信号源，U3输出为我们要测量的信号高电平持续时间。即当U3输出为1时，我们对标准信号源进行记数。我们的控制门为U2和U3，U3输出被测量信号的一个高电平脉宽， U2A和U2B分别为被测信号源上升沿触发（置1）和下降沿触发（置0）。U1A的1Q输出为预置信号，为0时有效，开始启动时，K置0，使U2A置0，U2B置1。然后，K置1，计数开始。这时如果被测信号上升沿到来，U2A置1开始打开主控制门开始计数，紧接着的下降沿使U2B置0，从而关掉控制门，计数完毕。但是由于启动时要求上升沿先到达以达到正确记数，所以要外加电路使电路在第一个下降沿之后开始工作，也就是U1A的作用，读者可以自行分析。接下来就只要扩展为1000进制计数器了。 七所用的元器件：双D触发器74LS742，与非门74LS002，计数器74LS1602，七段共阴数码管2个，开关1个。八思考扩展模块：（1）.如何实现测量信号的占空比。(2).提高测量的精度，进行误差分析。九课程设计报告 （1）.课题名称 (2).内容摘要 (3).设计内容及要求 (4)比较和选写设计的系统方案,画出系统框图 (5).单元电路设计、参数计算和器件选择 （6）.画出完整的电路图, 并说明电路的工作原理 (7).组装调试的内容。括: 使用的主要仪器和仪表a) 调试电路的方法和技巧b) 测试的数据和波形并与计算结果比较分析c) 调试中出现的故障、原因及排除方法。（8）总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。（9）列出系统所用的元器件清单。（10）列出参考文献。（11）收获、体会。实验十七数 字 频 率 计数字频率计是用于测量信号（方波、正弦波或其它脉冲信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。一设计要求及技术指标主要技术指标如下：1）频率测量范围100Hz10KHz2)数字显示位数：4位数字LED显示3）被测信号幅度U=5V（方波）二要求完成的任务使用中、小规模集成电路设计与制作一台简易的数字频率计，应具下述功能：1显示位数要求能计4位十进制数 2、量程 第一档：最小量程档，最大读数是9.999KHz，闸门信号的采样时间为1s。 第二档：最大读数为99.99KHz，闸门信号的采样时间为0.1s。 第三档：最大读数为999.9KHz，闸门信号的采样时间为10ms。 第四档：最大读数为9999KHz，闸门信号的采样时间为1ms。 3、显示方式 (1)用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。 (2)小数点的位置跟随量程的变更而自动移位。 (3)为了便于读数，要求数据显示的时间在0.5s5s内连续可调。 4、具有“自检”功能。 5、被测信号为方波信号。 6、画出设计的数字频率计的电路总图。 7、组装和调试 (1)时基信号通常使用石英晶体振荡器输出的标准频率信号经分频电路获得。为了实验调试方便，可用实验设备上脉冲信号源输出的1KHz方波信号经3次10分频获得。 (2)按设计的数字频率计逻辑图在实验装置上布线。 (3)用1KHz方波信号送入分频器的CP端，用数字频率计检查各分频级的工作是否正常。用周期为1s的信号作控制电路的时基信号输入，用周期等于1ms的信号作被测信号，用示波器观察和记录控制电路输入、输出波形，检查控制电路所产生的各控制信号能否按正确的时序要求控制各个子系统。用周期为1s的信号送入各计数器的CP端，用发光二极管指示检查各计数器的工作是否正常。用周期为1s的信号作延时电路的输入，用数码管接延时电路的计数器输出端，检查延时电路的工作是否正常。若各个子系统的工作都正常了，再将各子系统连起来统调。 8、调试合格后，写出综合实验报告。 三、工作原理 脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为 fNT，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000Hz。本实验课题仅讨论一种简单易制的数字频率计，其原理方框图如图1所示。 图1 数字频率计原理框图晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms，10ms，0.1s，1s等），时基信号的选择由开关S2控制。被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号直接加到主控门的输入端。时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率fN / T，改变时基信号的周期T，即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。此时控制电路CC4013（b）的Q2输出一个高电平至延时电路，开始计时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。 当开关S2改变量程时，小数点能自动移位。若开关S1，S3配合使用，可将测试状态转为“自检”工作状态（即用时基信号本身作为被测信号输入）。 四、基本单元电路的设计及工作原理 1、 控制电路 控制电路与主控门电路如图2所示。主控电路由双D触发器CC4013及与非门CC4011构成。CC4013(a)的任务是输出闸门控制信号，以控制主控门(2)的开启与关闭。如果通过开关S2 选择一个时基信号，当给与非门(1)输入一个时基信号的下降沿时，门1就输出一个上升沿，则CC4013（a）的 Q1 端就由低电平变为高电平，将主控门2开启。允许被测信号通过该主控门并送至计数器输入端进行计数。相隔1s（或0.1s，10ms，1ms）后，又给与非门1输入一个时基信号的下降沿，与非门1输出端又产生一个上升沿，使CC4013（a）的Q1 端变为低电平，将主控门关闭，使计数器停止计数，同时端产生一个上升沿，使CC4013（b）翻转成Q21，0，由于0，它立即封锁与非门1不再让时基信号进入CC4013（a），保证在显示读数的时间内 Q1 端始终保持低电平，使计数器停止计数。图2 控制电路及主控门电路 利用Q2端的上升沿送到下一级的延时电路。当到达所调节的延时时间时，延时电路输出端立即输出一个正脉冲，将计数器和所有D触发器全部置0。复位后，Q10，1，为下一次测量作好准备。当时基信号又产生下降沿时，则上述过程重复。2.延时电路延时电路如图3所示。（3）Q0 Q1 Q2 Q3 CP CC4518 REN （C）（4）94）（5）1Hz接CC4013(b)的Q2“1”接CC4013(b)的+5V接CC4013（a）和(b)的R两个R接频率计数器CC4518的R图3 延时电路K 当来自CC4013（b）的Q2=1时，与非门（3）开启，计数器CC4518(c)开始对1Hz的连续脉冲进行计数，当计数值为6时，Q1，Q2输出高电平，经与非门（4）输出低电平，则与非门（5）输出的高电平使CC4013（a）、(b)和频率计数器CC4518均清零，为下一次测量做准备。同时，由于清零后使CC4013（b）的=1，使CC4518（c）复位，为下一次计时显示做准备。K为开机置零按钮。 五扩展部分1如何测量正弦波和三角波信号的频率？ 2.设计一个3次10分频电路将1KHz方波信号分频为100Hz、10Hz、1Hz输出。 3如何使小数点随量程的改变而自动移位？六、实验设备与器件1、5V直流电源 2、双踪示波器 3、连续脉冲源 4、逻辑电平显示器 5、直流数字电压表 6、数字频率计7、主要元器件（供参考） 74LS90(二五十进制加法计数器) 4只CD4518双十进制同步计数器 4只 CC40192（同步十进制可逆计数器） 3只 CC4013（双D型触发器） 2只 CC401