脈沖數(shù)顯與電壓指示電路設(shè)計分析

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摘要：目前，對脈沖信號的計數(shù)主要采用計數(shù)器。文章設(shè)計的脈沖數(shù)顯與電壓指示電路包括磁控電路、RS觸發(fā)器、同步加法計數(shù)器、譯碼驅(qū)動器、數(shù)碼顯示電路、權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路和電源電路等部分。當(dāng)磁鋼依次靠近干簧管時，磁控電路產(chǎn)生的一個時間上有先后的負(fù)脈沖，被依次送至RS觸發(fā)器的置“0”端和置“1”端，IC2計數(shù)器的脈沖輸入端接收RS觸發(fā)器輸出的負(fù)向矩形脈沖，當(dāng)脈沖上升沿到來時，計數(shù)器加1，由計數(shù)器輸出的四位二進(jìn)制數(shù)碼，同時送給IC3和權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路。前者經(jīng)過譯碼、驅(qū)動數(shù)碼管顯示一位十進(jìn)制數(shù)，后者經(jīng)過IC4-2反相后輸出一個與計數(shù)結(jié)果大小成正比的模擬電壓。隨著計數(shù)增加1，輸出電壓相應(yīng)增加0.1V，電壓變化范圍為0～1.5V。

關(guān)鍵詞：脈沖計數(shù)；數(shù)碼顯示；電壓指示電路

引言

脈沖信號應(yīng)用廣泛，如數(shù)字脈搏測試儀[1]、壓電式種子計數(shù)系統(tǒng)[2]、基于MCU+CPLD的新型光柵數(shù)顯示系統(tǒng)[3]。對脈沖信號的測量，主要采用計數(shù)器，如基于STC89S52的低成本可編程計數(shù)器[4]、基于STC89C51單片機(jī)的自動計數(shù)器[5]、用于脈沖信號測量的數(shù)顯表[6]、電表脈沖數(shù)傳儀[7]等。由磁控電路、RS觸發(fā)器、計數(shù)器、譯碼驅(qū)動器、數(shù)碼顯示電路、權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的脈沖數(shù)顯與電壓指示電路，采用的芯片主要為74HC00、74HC161、MC4512B、LM324等。計數(shù)器輸送信號給運算放大器及權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的電阻值就能使電流與該數(shù)碼的權(quán)值成正比，運算放大器對電流進(jìn)行求和運算，之后經(jīng)反相器輸出一個與計數(shù)數(shù)值成正比的模擬電壓[8]。

1設(shè)計方案

脈沖數(shù)顯與電壓指示電路以MC4512B為核心，由磁控電路、以74HC00芯片為核心的RS觸發(fā)器、以74HC161芯片為核心的同步加法計數(shù)器，加上幾個阻值為1kΩ的上拉電阻和數(shù)碼管構(gòu)成的數(shù)碼顯示電路、以LM324芯片為核心的權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路以及直流穩(wěn)壓電源等部分組成。設(shè)計方案如圖1所示。

2原理介紹

通過磁鋼依次靠近干簧管的方式，磁控電路輸出一個負(fù)向矩形脈沖，此脈沖經(jīng)RS觸發(fā)器輸出端，給到計數(shù)器的脈沖輸入端，計數(shù)器隨著脈沖上升沿的到來依次加1，由計數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過譯碼、驅(qū)動數(shù)碼管顯示一位十進(jìn)制數(shù)，每16個脈沖完成一個循環(huán)，因此只顯示0～9，后面的不顯示，只是計數(shù)。計數(shù)器的輸出同時送給權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路和反向器后，輸出一個與計數(shù)大小成正比的模擬電壓量。

2.1磁控電路

磁控電路如圖2所示。磁控電路中S1、S2是磁控干簧管。干簧管是由特殊材料制成的一種磁敏特殊開關(guān)，當(dāng)磁鐵接近時，干簧管的兩個節(jié)點會吸合，從而使電路接通。沒有外加磁場時，干簧管的上端均是高電平，為斷開狀態(tài)；當(dāng)有磁鋼靠近通過時，它們的觸點先閉合再分開，因此在其兩端可以形成一個時間上有先后的負(fù)向矩形脈沖。

2.2RS觸發(fā)器

IC1A和IC1B兩個與非門組成的RS觸發(fā)器如圖3所示。IC1A的輸出引腳3與IC1B的輸入引腳4相連，IC1B的輸出引腳6與IC1A輸入引腳1相連。1腳、5腳和3腳分別是觸發(fā)器的置“1”端、置“0”端和輸出端Q。由磁控電路傳送來的兩個負(fù)向矩形脈沖，被先后加至觸發(fā)器的5腳和1腳，RS觸發(fā)器就會輸出一個負(fù)向矩形脈沖。

2.3同步加法計數(shù)器

計數(shù)器電路如圖4所示。IC2計數(shù)器的脈沖輸入端接收到RS觸發(fā)器輸出的矩形脈沖后，每遇到脈沖上升沿，計數(shù)器就會加1，計數(shù)器最終輸出二進(jìn)制數(shù)碼。該電路計數(shù)范圍是0～15（1111）。另外，芯片的引腳9和引腳1分別接上電阻阻值均為47kΩ的R3和R4。這兩個電阻的另一端短接，并且與電源Vcc相連。容量為10µF的電解電容C5的正極與芯片引腳1相連，C5負(fù)極接地。

2.4數(shù)碼管顯示電路

IC3接收的四位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過譯碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示一位十進(jìn)制數(shù)0～9。當(dāng)計數(shù)值超過9時，數(shù)碼管熄滅，但計數(shù)照常進(jìn)行；計數(shù)到15后的下一個計數(shù)脈沖會使計數(shù)器復(fù)“0”，從而數(shù)碼管再次顯示數(shù)值。芯片MC4513的引腳11～引腳16分別與數(shù)碼管的引腳1～引腳8相連，要求一一對應(yīng)，并且在數(shù)碼管與芯片MC4513之間接上7個阻值為1kΩ的電阻，數(shù)碼管的引腳8接地，芯片MC4513的引腳3、引腳4與電源相連，引腳8、引腳5與地相連。數(shù)碼管顯示電路如圖5所示。

2.5權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、放大器、反向器

帶有差動輸入的四運算放大器LM324可用在模擬計算機(jī)中做加、減、微分、積分等運算。計數(shù)器的輸出同時送給V1、V2、V3、V4、運算放大器IC4-1以及權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，其中V1、V2、V3、V4是二進(jìn)制數(shù)各數(shù)碼位的開關(guān)。當(dāng)對應(yīng)位的值是“0”時，開關(guān)斷開；當(dāng)對應(yīng)位的值是“1”時，開關(guān)閉合。開關(guān)閉合時，分別調(diào)節(jié)集電極的電阻值就能使其通過的電流與該數(shù)碼位的權(quán)值成比例（V1、V2、V3、V4的權(quán)值分別為1、2、4、8）。IC4-3對產(chǎn)生的電流進(jìn)行運放求和運算，IC4-2對其反相后，最終輸出一個與計數(shù)結(jié)果大小成正比的模擬電壓。權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、放大器、反向器的電路圖如圖6所示。

2.6電源電路

電源電路圖如圖7所示。其為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的直流電壓，其輸出的電壓值為+5～-3V。

3實物制作及測試

脈沖數(shù)顯與電壓指示電路的實物圖如圖8所示。當(dāng)用磁鋼輪流靠近S1、S2時，計數(shù)器加1，數(shù)碼管能顯示0～9共10個數(shù)值，不顯示11～15。當(dāng)數(shù)碼管顯示“1”時，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.1V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“2”時，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.2V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“4”時，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.4V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“8”時，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.8V。數(shù)碼顯示與輸出電壓數(shù)值照片如圖9所示。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整完成后，輸出電壓隨著計數(shù)加1而相應(yīng)增加0.1V，計數(shù)值為0～15，所以電壓值在0～1.5V內(nèi)相應(yīng)變化。

4結(jié)束語

文章設(shè)計制作了脈沖數(shù)顯與電壓指示電路，該電路由磁控電路、RS觸發(fā)器、計數(shù)器、譯碼驅(qū)動器、數(shù)碼顯示電路、權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、電源電路等部分組成。當(dāng)數(shù)碼管分別顯示1、2、4、8時，用萬用表檢測電路的輸出端，與之對應(yīng)的輸出電壓分別為0.1V、0.2V、0.4V、0.8V，說明輸出端的模擬電壓量與計數(shù)結(jié)果大小成正比。

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作者：張玉娟 謝龍 單位：無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院