脈沖數顯與電壓指示電路設計分析

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摘要：目前，對脈沖信號的計數主要采用計數器。文章設計的脈沖數顯與電壓指示電路包括磁控電路、RS觸發器、同步加法計數器、譯碼驅動器、數碼顯示電路、權電阻數/模轉換電路和電源電路等部分。當磁鋼依次靠近干簧管時，磁控電路產生的一個時間上有先后的負脈沖，被依次送至RS觸發器的置“0”端和置“1”端，IC2計數器的脈沖輸入端接收RS觸發器輸出的負向矩形脈沖，當脈沖上升沿到來時，計數器加1，由計數器輸出的四位二進制數碼，同時送給IC3和權電阻數/模轉換電路。前者經過譯碼、驅動數碼管顯示一位十進制數，后者經過IC4-2反相后輸出一個與計數結果大小成正比的模擬電壓。隨著計數增加1，輸出電壓相應增加0.1V，電壓變化范圍為0～1.5V。

關鍵詞：脈沖計數；數碼顯示；電壓指示電路

引言

脈沖信號應用廣泛，如數字脈搏測試儀[1]、壓電式種子計數系統[2]、基于MCU+CPLD的新型光柵數顯示系統[3]。對脈沖信號的測量，主要采用計數器，如基于STC89S52的低成本可編程計數器[4]、基于STC89C51單片機的自動計數器[5]、用于脈沖信號測量的數顯表[6]、電表脈沖數傳儀[7]等。由磁控電路、RS觸發器、計數器、譯碼驅動器、數碼顯示電路、權電阻數/模轉換電路構成的脈沖數顯與電壓指示電路，采用的芯片主要為74HC00、74HC161、MC4512B、LM324等。計數器輸送信號給運算放大器及權電阻數/模轉換電路，通過調節對應的電阻值就能使電流與該數碼的權值成正比，運算放大器對電流進行求和運算，之后經反相器輸出一個與計數數值成正比的模擬電壓[8]。

1設計方案

脈沖數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觸發器、以74HC161芯片為核心的同步加法計數器，加上幾個阻值為1kΩ的上拉電阻和數碼管構成的數碼顯示電路、以LM324芯片為核心的權電阻數/模轉換電路以及直流穩壓電源等部分組成。設計方案如圖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向矩形脈沖，此脈沖經RS觸發器輸出端，給到計數器的脈沖輸入端，計數器隨著脈沖上升沿的到來依次加1，由計數器輸出的二進制數經過譯碼、驅動數碼管顯示一位十進制數，每16個脈沖完成一個循環，因此只顯示0～9，后面的不顯示，只是計數。計數器的輸出同時送給權電阻數/模轉換電路和反向器后，輸出一個與計數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，當磁鐵接近時，干簧管的兩個節點會吸合，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；當有磁鋼靠近通過時，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向矩形脈沖。

2.2RS觸發器

IC1A和IC1B兩個與非門組成的RS觸發器如圖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向矩形脈沖，被先后加至觸發器的5腳和1腳，RS觸發器就會輸出一個負向矩形脈沖。

2.3同步加法計數器

計數器電路如圖4所示。IC2計數器的脈沖輸入端接收到RS觸發器輸出的矩形脈沖后，每遇到脈沖上升沿，計數器就會加1，計數器最終輸出二進制數碼。該電路計數范圍是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負極接地。

2.4數碼管顯示電路

IC3接收的四位二進制數，經過譯碼，驅動數碼管顯示一位十進制數0～9。當計數值超過9時，數碼管熄滅，但計數照常進行；計數到15后的下一個計數脈沖會使計數器復“0”，從而數碼管再次顯示數值。芯片MC4513的引腳11～引腳16分別與數碼管的引腳1～引腳8相連，要求一一對應，并且在數碼管與芯片MC4513之間接上7個阻值為1kΩ的電阻，數碼管的引腳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。數碼管顯示電路如圖5所示。

2.5權電阻數/模轉換電路、放大器、反向器

帶有差動輸入的四運算放大器LM324可用在模擬計算機中做加、減、微分、積分等運算。計數器的輸出同時送給V1、V2、V3、V4、運算放大器IC4-1以及權電阻數/模轉換電路，其中V1、V2、V3、V4是二進制數各數碼位的開關。當對應位的值是“0”時，開關斷開；當對應位的值是“1”時，開關閉合。開關閉合時，分別調節集電極的電阻值就能使其通過的電流與該數碼位的權值成比例（V1、V2、V3、V4的權值分別為1、2、4、8）。IC4-3對產生的電流進行運放求和運算，IC4-2對其反相后，最終輸出一個與計數結果大小成正比的模擬電壓。權電阻數/模轉換電路、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。其為系統提供一個穩定的直流電壓，其輸出的電壓值為+5～-3V。

3實物制作及測試

脈沖數顯與電壓指示電路的實物圖如圖8所示。當用磁鋼輪流靠近S1、S2時，計數器加1，數碼管能顯示0～9共10個數值，不顯示11～15。當數碼管顯示“1”時，調整相應的集電極電阻使輸出電壓為0.1V；當數碼管顯示“2”時，調整相應的集電極電阻使輸出電壓為0.2V；當數碼管顯示“4”時，調整相應的集電極電阻使輸出電壓為0.4V；當數碼管顯示“8”時，調整相應的集電極電阻使輸出電壓為0.8V。數碼顯示與輸出電壓數值照片如圖9所示。權電阻網絡調整完成后，輸出電壓隨著計數加1而相應增加0.1V，計數值為0～15，所以電壓值在0～1.5V內相應變化。

4結束語

文章設計制作了脈沖數顯與電壓指示電路，該電路由磁控電路、RS觸發器、計數器、譯碼驅動器、數碼顯示電路、權電阻數/模轉換電路、電源電路等部分組成。當數碼管分別顯示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結果大小成正比。

參考文獻

[1]邢曉敏.數字脈搏測試儀設計[J].求知導刊,2018(3):67-68.

[2]張霖,趙祚喜,可欣榮,等.壓電式種子計數系統[J].農業機械學報,2011,42(8):41-45.

[3]徐祿勇,李尚柏,鐘睿.基于MCU+CPLD的新型光柵數顯系統設計[J].國外電子元器件,2008(5):8-11.

[4]楊帆,劉嘉琪,趙亞范,等.低成本可編程脈沖計數器設計[J].現代電子技術,2012,35(24):173-175.

[5]周克輝.基于單片機的自動計數器設計[J].時代農機,2015,42(3):34-36.

[6]黃建兵,孫小敏.多功能數顯表的研制[J],陜西科技大學學報,2005,23(6):105-107.

[7]孫建設.電表脈沖數傳儀[J].傳感技術學報,2005,18(3):646-649.

[8]李付偉,王強,劉凱凱.一種單燈控制器控制電路設計和分析[J].光源與照明,2018(2):12-15.

作者：張玉娟 謝龍 單位：無錫城市職業技術學院