占空比测试设计报告.docx
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占空比测试设计报告
设 计 报 告
题目:
脉冲占空比测试仪
设计人:
刘志新林亮钰刘勇严伟鹏
指导老师:
***
设计时间:
2012.7.20
摘要:
本文主要研究了用锁相倍频技术实现脉冲占空比的数字式测量.文中介绍了实施方案,叙述了测量原理,设计了测量电路并在实验测试中得到验证。
适用于低频脉冲信号的测量。
关键词:
锁相环、锁相倍频、脉冲占空比、触发-定时器。
1.系统设计
1.1系统设计指标
量程为0—99%,显示器最大显示数为99(即99%);
误差绝对值均小于1%;
分频率为1%;
被测信号频率范围为2Hz—5KHz;
数码管正常显示读数,不出现闪烁现象。
1.2系统设计思路
脉冲占空比D定义为脉冲宽度与脉冲周期T的百分比。
首先把输入脉冲100倍频,此时输入一个脉冲,输出就有100个脉冲。
用计数器对一个输入脉冲宽度内输出多少个脉冲进行计数。
计数结果就是脉冲占空比。
将计数结果送到寄存器,然后将结果输出到译码显示。
1.2.1方案比较:
方案一:
由单片机构成的占空比测量仪。
该方案采用软硬件相结合的方法,硬件电路较简单,但多了软件部分。
系统设计指标中被测信号频率范围为2Hz—5KHz,当被测信号为5KHz时,经过100倍频后,频率为500KHz,周期为2uS。
而由12MHz的晶振和51单片机构成的电路的机器周期是1uS,根本无法测量该信号,所以用该方案无法达到预期的设计指标。
方案二:
由锁相环等电路构成的脉冲占空比测试仪。
该方案采用锁相和倍频技术相结合的测量方法,用常规的数字集成电路构成的测试电路,可实现脉冲占空比的数字式测量,精度高且测试速度快,有利于测量结果的改善,能达到系统设计指标,所以采用该方案进行电路设计。
1.3设计与论证:
系统设计示意图:
该电路主要由锁相环、100进制加法计数器、寄存器、触发-定时器、译码器和LED显示电路组成。
1.3.1锁相环:
锁相技术实际上是自动相位控制。
误差信号是输入信号相位与压控振荡器的相位差,完成相位自动控制的负反馈称为锁相环。
锁相环的功能是自动跟踪输入信号的相位,这一功能是由鉴相器产生一个与输入信号和VCO信号的相位差成比例的电压而完成的。
这个相位误差电压通过低通滤波器,在那里抑制了噪声和高频信号成份,并帮助决定环路的动态性能,经滤波后的相位差电压调制VCO频率,重新在鉴相器中与输入信号比较,产生的误差电压通过环路滤波器,图1.3.1锁相环
调制VCO频率直到VCO以固定的相位关系锁住输入信号,锁相环通过跟踪信号的相位,频率同步和频率跟踪便获得了。
采用此电路可使4046的14号脚与3号脚的信号频率相同。
1.3.2100进制加法计数器:
1、该电路主要是与锁相环相结合实现100倍频。
该电路主要由两片7490级联而成。
电路图如下图所示:
2、该电路主要是对一个输入脉冲宽度内输出多少个脉冲进行计数,电路图如下图所示。
图中9018是用来控制计数器在输入脉冲高电平时计数,低电平时不计数,并有自动清零功能。
1.3.3寄存器:
该电路采用74LS273,74LS273是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作8位地址锁存器。
D0~D7:
出入;Q0~Q7:
输出;第一脚WR:
主清除端,低电平触发,即当为低电平时,芯片被清除,输出全为0(低电平);CP(CLK):
触发端,上升沿触发,即当CP从低到高电平时,D0~D7的数据通过芯片,为0时将数据锁存,D0~D7的数据不变。
1.3.4触发-定时器:
该部分由单稳态触发器组成。
采用555定时器构成单稳态触发器R21、C5是定时元件;fin是输入触发信号,下降沿有效,加在555的TR端(2脚)。
Q端(3脚)是输出信号
没有触发信号时电路工作在稳态(Q=0)。
输入信号fin的下降沿到时,电路被触发,立即由稳态翻转为暂稳态(Q=1)。
经过一定时间(由R21、C5决定)后,电路又回到稳态(Q=0)。
用该电路的输出信号作为锁存器74LS273的时钟信号,可用来控制锁存器来锁存计数结果(也就是脉冲占空比)。
1.3.5译码显示电路:
该电路由CD4511和共阴数码管组成。
它可对结果进行译码并送到数码管显示。
CD4511由四位锁存器用由双极型晶体管构成的输出驱动级三部分组成。
该片具有较高的输出驱动能力,CD4511电源电压为5V时的最大输出电流20mA。
它的引脚配置为:
A、B、C、D为四位二进制输入端,接入电路时VDD,LT和BI脚接高电平,LE和VSS脚接地.引脚a、b、c、d、e、f、g分别接数码管对应的端口。
输入锁存器可作为锁存输入BCD码。
有灯测和消隐功能。
当输入BCD码>1001时,七段输出消隐。
LE为锁存控制端,LT为灯测控制端,BI为消隐控制端。
结论:
将以上几部分电路连接起来,就可以实现对输入信号的占空比测量,并将测量结果送到数码管显示。
2.单元电路设计
2.1锁相环
电路如图1.3.1所示。
该电路由HCF4046、四个电阻、两个电容组成。
HCF4046(CD4046)是通用的CMOS锁相环集成电路,其特点是电源电压范围宽(为3V-18V),输入阻抗高(约100MΩ),动态功耗小,在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW,属微功耗器件,在频率调制、频率锁定和频率合成等方面应用广泛。
所以选用HCF4046即可满足要求。
VCO最大输出频率fmax与电源电压和外接振荡元件的取值有关,被测信号频率范围为2Hz—5KHz,所以fmax=100fin=100
5KHz=500KHz。
VCO最大输出频率fmax与电源电压和外接振荡元件R17、C6取值有关;当R2=
时,fmax可用关系式:
估算。
R17可在5K
~1M
之间选取,取R17=5K1
C6要小于368pF,取C6=100pF。
外接低通滤波器由R21,R22,C14等元件组成,其时间常数选取决定系统跟踪输入信号频率变化速度和捕捉范围,有关资料表述,当R3为R4的0.1~0.3倍时为最佳工作情况.选取R21=1M
,R22=100k
,C14=0.22uF,就可消除环路过冲和自激振荡,且有较快的工作速度。
2.2100进制加法计数器
该电路可由片74LS90构成。
74LS90是二-五-十进制计数器,它有两个时钟输入端CLK0和CLK1,其中CLK0和Q1组成一位二进制计数器:
CLK1和Q3Q2Q1组成五进制计数器:
若将Q0与CLK1相接,时钟脉冲从CLK0输入,则构成8421BCD码十进制计数器,用74LS90构成十进制计数器非常方便,不需要外加逻辑门电路。
所以选用74LS90就可以满足要求。
2.3寄存器
74LS273是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作8位地址锁存器。
所以选用74LS273就可满足要求。
2.4触发-定时器
该电路可由555构成。
设
为输出脉冲宽度。
触发-定时电路的暂态时间
由电阻R21和电容C5决定,其选值应保证数码管显示的读数不出现闪烁现象。
为了使数码管显示的读数不出现闪烁,则
至少要1S,所以取R21=1M
,C5=1uF时,
=1.1R21C5=1.1*1*1=1.1S,可以满足要求。
C1一般取0.1uF。
2.5译码显示电路:
CD4511由四位锁存器用由双极型晶体管构成的输出驱动级三部分组成。
该片具有较高的输出驱动能力,CD4511电源电压为5V时的最大输出电流20mA。
它的引脚配置为:
A、B、C、D为四位二进制输入端,接入电路时VDD,LT和BI脚接高电平,LE和VSS脚接地.引脚a、b、c、d、e、f、g分别接数码管对应的端口。
输入锁存器可作为锁存输入BCD码。
有灯测和消隐功能。
当输入BCD码>1001时,七段输出消隐。
LE为锁存控制端,LT为灯测控制端,BI为消隐控制端。
所以选用CD4511作为译码器就可以满足要求。
数码管采用共阴数码管。
3.系统测试
3.1电路板的测试
电路板焊好后,所有芯片未插上时,检查所有芯片的电源脚和接地脚是否有错。
经检查无误。
插上100分频的芯片和锁相环芯片,同时加入信号。
观测锁相环的4脚(VCOUT端)的频率是否为输入信号频率的100倍,是否为3脚(BIN端)的频率的100倍。
经示波器观测,一切正常。
再插上555芯片。
检测555芯片的3脚(Q端)的输出是否有矩形波输出。
经示波器观测,555芯片的3脚(Q端)有矩形波输出。
将余下的芯片插上。
输入信号测试占空比。
量程为0—99%,显示器最大显示数为99(即99%);数码管正常显示读数,不出现闪烁现象。
3.2系统性能的测试
3.2.1测量误差的测试:
用函数信号发生器输入5.4V、492.13Hz的矩形波,保持频率不变,不断改变占空比,用示波器观测并记录输入信号的脉冲宽度、周期,并记录数码管的示数。
输入5.4V、492.13Hz的矩形波
脉冲宽度(uS)
脉冲周期(ms)
占空比
(%)
数码管示数(%)
误差
(%)
798.8
2.031
39.31
39
0.31
883.3
2.031
43.58
43
0.58
1014.1
2.031
50.08
50
0.08
1183.8
2.031
58.36
59
0.64
1476.7
2.031
72.16
72
0.16
1850.9
2.031
87.7
88
0.3
由上表可知,误差在1.0%以内,基本上满足所预期的指标。
3.2.2被测信号频率范围的测试:
用函数信号发生器输入不同频率的矩形波,用示波器观测并记录输入信号的脉冲宽度、周期,并记录数码管的示数。
观察数码管是否正确显示占空比。
输入频率(Hz)
脉冲宽度
(uS)
脉冲周期(uS)
占空比
(%)
数码管示数
(%)
数码管示数小于
以下值变为00
500.03
546.2
2035
34.38
34
29
995.58
568.1
1003
55.46
55
50
1554
411.8
643.1
70.34
70
60
1997
328.1
500.0
83.91
84
64
3009
237.9
331.4
75.05
75
70
4075
179.1
245.2
72.98
73
73
由上表可知,被测信号频率范围为4HZ-4.7KHz量程内测量。
4.设计总结:
系统基本上达到了预期的指标:
量程为0—99%,显示器最大显示数为99(即99%);数码管正常显示读数,不出现闪烁现象。
误差在1.2%以内,被测信号频率范围为40HZ-3.6KHz量程内测量。
该设计是成功的。
5.参考文献
[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第二版)[M].北京:
高等教育出版社,1999。
6.附录
附录1
元器件明细表
序号
名称
型号及规格
数量
备注
1
数码管
共阴极
2
2
集成芯片
CD4511
2
3
集成芯片
74LS273
1
4
集成芯片
7490
4
5
集成芯片
555
1
6
集成芯片
4046
1
7
电阻
1K
15
8
电阻
1M
2
9
电阻
10K
2
10
电阻
5K
1
11
电阻
100K
2
12
电阻
4.7K
1
13
瓷片电容
101
1
14
瓷片电容
224
1
15
瓷片电容
104
3
16
电解电容
1.0uF
1
17
三极管
9018
1
附录2
仪器设备清单
序号
名称
型号及规格
主要技术指标
数量
备注
1
直流稳压电源
QJ3003SII
Vmax=32.80V
1
2
万用表
GDM-8135
DC:
1200V
1
3
函数信号发生器
SP1641B
1
4
数字示波器
EDU5022S
1
附录3
原理图如下:
附录4
Pcb图
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