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20XX班 组 长：20XX415044 文亚平 组 员： 20XX415041 韦艳 20XX415029 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： 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。
124069U1A344069U1B12XTAL4MHzY13.3kR12.7kR20.01ufC10.01ufC2124069
U1CA
GND
10V
图1-2 振荡电路
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 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）～4024（2）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。
CLK1RST2Q112Q211Q39Q46Q55Q64Q734024U1CLK1RST2Q112Q211Q39Q46Q55Q64Q734024U24096KHz
32KHz330R3
330R4
4KHz
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S1，FF1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
