脈沖占空比測(cè)量設(shè)計(jì)報(bào)告

1、設(shè)計(jì)報(bào)告課題：脈沖占空比測(cè)量 設(shè)計(jì)者：* 指導(dǎo)老師：白老師 組號(hào)：第六組 2014年7月20號(hào)摘要：一般我們都采用測(cè)量周期的方法測(cè)量占空比。本設(shè)計(jì)是采用硬件的方法測(cè)量脈沖矩形波的占空比。對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行100倍頻處理，再測(cè)量信號(hào)高電平期間的脈沖個(gè)數(shù)，除于100，即為占空比，這樣可較準(zhǔn)確地測(cè)出高電平在整個(gè)周期的比例。用計(jì)數(shù)器對(duì)高電平的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)原信號(hào)的下降沿到來時(shí)將鎖存對(duì)高電平的計(jì)數(shù)值，并送入譯碼顯示。用定時(shí)器控制鎖存器的刷新速度，這樣就可方便準(zhǔn)確地測(cè)出該波形的占空比。關(guān)鍵詞: 鎖相環(huán)芯片HCF4046 脈沖占空比 555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器目錄1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)41.1 設(shè)計(jì)要求4

2、1.2 方案論證41.2.1方案一：由鎖相環(huán)、計(jì)數(shù)器構(gòu)成的脈沖占空比測(cè)量41.2.2方案二：由單片機(jī)構(gòu)成的脈沖占空比測(cè)量?jī)x41.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖42.單元模塊設(shè)計(jì)52.1 倍頻單元電路52.1.1電路原理圖52.1.2工作原理62.1.3參數(shù)選擇62.2 計(jì)數(shù)器電路72.2.1電路原理圖72.2.2工作原理72.3 單穩(wěn)態(tài)電路82.3.1電路原理圖82.3.2工作原理82.3.3參數(shù)選擇92.4 顯示電路92.4.1電路原理圖92.4.2工作原理92.4.3參數(shù)選擇103.系統(tǒng)測(cè)試104.結(jié)論115.參考文獻(xiàn)126.附錄121 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求（1）量程：099%，顯示器最大顯示數(shù)為

3、99（即99%），誤差絕對(duì)值均小于1%；（2）分頻率：1%；（3）被測(cè)信號(hào)頻率范圍：2Hz5KHz；電源電壓：+5V；（4）觸發(fā)-定時(shí)電路的暫態(tài)時(shí)間由電阻R和電容C決定，其選值應(yīng)保證數(shù)碼管顯示的讀數(shù)不出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。1.2 方案論證1.2.1方案一：由鎖相環(huán)、計(jì)數(shù)器構(gòu)成的脈沖占空比測(cè)量本方案是采用鎖相環(huán)電路與100進(jìn)制加法計(jì)數(shù)電路，將輸入信號(hào)100倍頻，通過計(jì)數(shù)器測(cè)量待測(cè)信號(hào)在高電平態(tài)的倍頻的脈沖個(gè)數(shù)，該脈沖個(gè)數(shù)剛好是待測(cè)脈沖的占空比，利用鎖存器與單穩(wěn)態(tài)電路控制輸出譯碼顯示。該電路結(jié)構(gòu)緊湊，精確度高，能測(cè)量較高的頻率，因此選擇此方案更佳。1.2.2方案二：由單片機(jī)構(gòu)成的脈沖占空比測(cè)量?jī)x本方案采用

4、單片機(jī)對(duì)脈沖上升沿與下降沿的捕捉，通過定時(shí)器的定時(shí)分別測(cè)量出電平值和脈沖周期，通過計(jì)算得到占空比值。該方案雖具有可行性，但單片機(jī)對(duì)脈沖周期有一定的要求，這是由于單片機(jī)執(zhí)行指令需要一定的指令周期決定的，因此不能測(cè)量較高的頻率。因此測(cè)量較高頻率的脈沖該方案有一定的缺陷。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖譯碼寄存器100 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器鎖相環(huán)（PLL）觸發(fā)-定時(shí)器被測(cè)信號(hào)LED顯示2.單元模塊設(shè)計(jì)2.1 倍頻單元電路2.1.1電路原理圖2.1.2工作原理 圖2 HCF4046工作原理圖被測(cè)信號(hào)從14腳輸入后，經(jīng)放大器進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，開關(guān)K撥至13腳(因?yàn)橐笫沁呇赜|發(fā))，則比較器將從3腳

5、輸入的比較信號(hào)與輸入信號(hào)作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓則反映出兩者的相位差。經(jīng)、及濾波后得到一控制電壓加至壓控振蕩器的輸入端9腳，調(diào)整的振蕩頻率，使迅速逼近信號(hào)頻率。的輸出再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與進(jìn)行相位比較，最后使得，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定,即4腳上信號(hào)經(jīng)過7490構(gòu)成的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器后，4腳頻率發(fā)生改變。由圖2可得, ,又因?yàn)殒i相環(huán)中3腳的頻率與14的頻率相等,則,所以。2.1.3參數(shù)選擇因?yàn)镠CF4046的工作條件為為3V-18V，,。由最小頻率，最大頻率分析得，在VCC為5V的情況下，為滿足被測(cè)信號(hào)頻率范圍2Hz-5KHz，故取 ,2.2 計(jì)數(shù)器電路2.2.1電

6、路原理圖2.2.2工作原理7490是二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，把輸入計(jì)數(shù)脈沖加在端，即 =100倍頻信號(hào)，且把與從外部連起來，則電路將對(duì)計(jì)數(shù)脈沖按照8421BCD碼進(jìn)行異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。若將這兩片7490相聯(lián)，則構(gòu)成100進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器。由于當(dāng)，時(shí)，則計(jì)數(shù)器清零，與CP無關(guān)；當(dāng)，時(shí)，則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，CP下降沿有效。把被測(cè)信號(hào)取反后送入和，可實(shí)現(xiàn)在被測(cè)信號(hào)的高電平時(shí)期計(jì)數(shù)，低電平時(shí)期保持清零狀態(tài)。2.3 單穩(wěn)態(tài)電路2.3.1電路原理圖2.3.2工作原理采用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路,當(dāng)電路無觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)，當(dāng)UI的下降沿來時(shí)，電路被觸發(fā)，立即由穩(wěn)態(tài)跳到暫穩(wěn)態(tài)，則電路開始對(duì)電容C5充電，當(dāng)電容上的

7、電壓上升到時(shí)，電路從暫穩(wěn)態(tài)跳到穩(wěn)態(tài)，這狀態(tài)保持到下一個(gè)UI的下將沿來時(shí)。此后不斷的重復(fù)以上過程。因此在555的3腳輸出矩形波，并將3腳的信號(hào)送給74LS273的CLK端，使74LS273在一個(gè)555周期內(nèi)鎖存一個(gè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示一個(gè)數(shù)據(jù)。為了滿足觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度小于輸出的脈沖寬度,需在輸入信號(hào)端接入RC微分電路。輸出脈沖的寬度即暫穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也即電容充電時(shí)間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于外接電容和電阻，由分析得，解得 式(2.1)2.3.3參數(shù)選擇1.電容：由式（2.1）可得電容充電時(shí)間為,選電容為1.0uF, =1.0uF;對(duì)電容,沒有特殊要求,因此可選=0.1uF,應(yīng)滿足微分電路可產(chǎn)生

8、一個(gè)尖脈沖,取60pF以上可滿足要求,因此取=66pF.因此取=1.0uF, =0.1uF,=66pF。2.電阻：由式（2.1）得，為了使數(shù)碼管1s刷新一次，因此可得,因此取=1M。2.4 顯示電路2.4.1電路原理圖2.4.2工作原理將74LS273的輸出送給CD4511的輸入端,經(jīng)CD4511譯碼后送數(shù)碼管顯示。CD4511具有較高的輸出驅(qū)動(dòng)能力，CD4511電源電壓為5V時(shí)的最大輸出電流20m A。接入電路時(shí)VDD,LT和BI腳接高電平，LE和VSS腳接地,A、B、C、D為四位二進(jìn)制輸入端，引腳a、b、c、d、e、f、g分別接數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的端口，這樣即實(shí)現(xiàn)顯示功能。2.4.3參數(shù)選擇電阻：

9、數(shù)碼管的段電流為3mA,當(dāng)它發(fā)光時(shí)壓降為1.8V,則線流電阻,因此電阻R取1K。3.系統(tǒng)測(cè)試?yán)L制PCB圖，焊接電路。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形如下：鎖相環(huán)3、4腳波形：9018取反信號(hào)波形：555單穩(wěn)態(tài)2腳輸入波形：4.結(jié)論經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試由示波器觀測(cè)得以下現(xiàn)象：1、 HCF4046的第3引腳的輸出與輸入信號(hào)同頻同相，但占空比不同；2、 HCF4046的第4引腳的輸出頻率是輸入信號(hào)頻率的100倍；3、 晶體管9018的集電極和基極的信號(hào)同頻反相；4、 555芯片的第2引腳的信號(hào)波形為尖端窄脈沖；5、 555芯片的第3引腳的輸出波形為矩形波； 5.參考文獻(xiàn)1余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第二版）M.北京:高等教育出版社,1999.384-387。2楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第二版）M.北京:高等教育出版社,1998.541-543。3張肅文.高頻電子線路（第四版）M.北京:高等教育出版社,2004.479-505。6.附錄6.1器件清單序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格器件位號(hào)數(shù)量1電阻1MR4,R212100KR3110KR22,R2425KR321KR14R