脈沖數(shù)顯與電壓指示電路設(shè)計(jì)

張玉娟 謝 龍

無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院（江蘇 無錫 214153）

0 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(jì)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(jì)數(shù)器，如基于STC89S52的低成本可編程計(jì)數(shù)器[4]、基于STC89C51單片機(jī)的自動計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)器輸送信號給運(yùn)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(yùn)算放大器對電流進(jìn)行求和運(yùn)算，之后經(jīng)反相器輸出一個(gè)與計(jì)數(shù)數(shù)值成正比的模擬電壓[8]。

1 設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器，加上幾個(gè)阻值為1 kΩ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(jì)方案如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案圖

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(gè)負(fù)向矩形脈沖，此脈沖經(jīng)RS觸發(fā)器輸出端，給到計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，計(jì)數(shù)器隨著脈沖上升沿的到來依次加1，由計(jì)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(gè)脈沖完成一個(gè)循環(huán)，因此只顯示0～9，后面的不顯示，只是計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的輸出同時(shí)送給權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路和反向器后，輸出一個(gè)與計(jì)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(shí)，干簧管的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)會吸合，從而使電路接通。沒有外加磁場時(shí)，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(shí)，它們的觸點(diǎn)先閉合再分開，因此在其兩端可以形成一個(gè)時(shí)間上有先后的負(fù)向矩形脈沖。

圖2 磁控電路圖

2.2 RS觸發(fā)器

IC1A和IC1B兩個(gè)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(gè)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(gè)負(fù)向矩形脈沖。

圖3 RS觸發(fā)器

2.3 同步加法計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器電路如圖4所示。IC2計(jì)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(jì)數(shù)器就會加1，計(jì)數(shù)器最終輸出二進(jìn)制數(shù)碼。該電路計(jì)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47 kΩ的R3和R4。這兩個(gè)電阻的另一端短接，并且與電源Vcc相連。容量為10 μF的電解電容C5的正極與芯片引腳1相連，C5負(fù)極接地。

圖4 計(jì)數(shù)器電路

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(jì)數(shù)值超過9時(shí)，數(shù)碼管熄滅，但計(jì)數(shù)照常進(jìn)行；計(jì)數(shù)到15后的下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖會使計(jì)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(gè)阻值為1 kΩ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。

圖5 數(shù)碼管顯示電路

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(yùn)算放大器LM324可用在模擬計(jì)算機(jī)中做加、減、微分、積分等運(yùn)算。計(jì)數(shù)器的輸出同時(shí)送給V1、V2、V3、V4、運(yùn)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(shí)，開關(guān)斷開；當(dāng)對應(yīng)位的值是“1”時(shí)，開關(guān)閉合。開關(guān)閉合時(shí)，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(yùn)放求和運(yùn)算，IC4-2對其反相后，最終輸出一個(gè)與計(jì)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。

圖6 權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、放大器、反向器的電路

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(gè)穩(wěn)定的直流電壓，其輸出的電壓值為+5～-3 V。

圖7 電源電路

3 實(shí)物制作及測試

脈沖數(shù)顯與電壓指示電路的實(shí)物圖如圖8所示。當(dāng)用磁鋼輪流靠近S1、S2時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，數(shù)碼管能顯示0～9共10個(gè)數(shù)值，不顯示11～15。當(dāng)數(shù)碼管顯示“1”時(shí)，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.1 V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“2”時(shí)，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.2 V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“4”時(shí)，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.4 V；當(dāng)數(shù)碼管顯示“8”時(shí)，調(diào)整相應(yīng)的集電極電阻使輸出電壓為0.8 V。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(jì)數(shù)加1而相應(yīng)增加0.1 V，計(jì)數(shù)值為0～15，所以電壓值在0～1.5 V內(nèi)相應(yīng)變化。

圖8 脈沖數(shù)顯與電壓指示電路實(shí)物圖

4 結(jié)束語

圖9 數(shù)碼顯示與輸出電壓數(shù)值

文章設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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0.1 V、0.2 V、0.4 V、0.8 V，說明輸出端的模擬電壓量與計(jì)數(shù)結(jié)果大小成正比。