数字电子技术课程设计

实验十六 简易脉宽测量电路

脉宽测量设计用来测量一个PWM波的高电平持续时间进而可以实现信号的占空比测量。 一． 设计要求

用常用数字电路IC设计一个脉宽测量，主要技术指标如下：

1) 能显示三位计数值，时间单位为毫秒。

1） 被测量脉冲的频率范围1HZ~100HZ，10KHZ的时间基准信号由信号发生器提供。 2） 能测量信号的高低电平宽度，实现占空比测量。 3） 写出设计过程，画出逻辑图。

二． 要求完成的任务

1） 利用软件（如modelsin）进行设计输入，设计仿真，使其具备设计要求的逻辑

功能。

2） 根据前期的设计搭建数字电路，调试系统。 3） 画出完整的电路图，写出设计总结报告

4） 基准频率由晶振电路分频产生，存储前后两次的测量数据，实现占空比测量。

三． 工作原理及设计思路

10KHZ的矩形脉冲信号由信号发生器提供，它和分频器组成一个时间标准信号电路，用以产生1ms的计时时间。通过计数器，译码器和显示器显示出被测脉冲的宽度。

被测量信号Fx为周期性矩形脉冲。在测量控制信号启动后，控制器使控制门只能让被测信号Fx的第一个正脉冲通过，从而测出脉冲宽度Tw的时间，因此，控制器应由触发器和门电路组成。 四．设计框图

总体框图如下：

五．参考原理图

以下是实现的一种参考方案：

接译码器

Fx

1D 1SD 1CP 1Q 1RD

QD QC QB QA

QD QC QB QA ENT CO ENP

﹠

“174LS160 ENP

LOAD ENT CLK CLR

74LS160 LOAD

CLK CLR

1”

1D 1CP 1SD 1Q 1RD

2CP 2 RD 2D

﹠

2SD 2Q

1

U3

U2

﹠

标准信号

1

Vcc

Vcc

K

六． 电路原理

其中被测信号Fx为100HZ～1KHZ信号源，我们的主控门为U4，我们的标准信号源频率为1KHZ～10KHZ信号源，U3输出为我们要测量的信号高电平持续时间。即当U3输出为1时，我们对标准信号源进行记数。

我们的控制门为U2和U3，U3输出被测量信号的一个高电平脉宽， U2A和U2B分别为被测信号源上升沿触发（置1）和下降沿触发（置0）。

U1A的1Q输出为预置信号，为0时有效，开始启动时，K置0，使U2A置0，U2B置1。然后，K置1，计数开始。这时如果被测信号上升沿到来，U2A置1开始打开主控制门开始计数，紧接着的下降沿使U2B置0，从而关掉控制门，计数完毕。但是由于启动时要求上升沿先到达以达到正确记数，所以要外加电路使电路在第一个下降沿之后开始工作，也就是U1A的作用，读者可以自行分析。接下来就只要扩展为1000进制计数器了。

七．所用的元器件：双D触发器74LS74×2，与非门74LS00×2，计数器74LS160×2，七段共阴数码管2个，开关1个。 八．思考扩展模块：

（1）.如何实现测量信号的占空比。 (2).提高测量的精度，进行误差分析。

九．课程设计报告 （1）.课题名称 (2).内容摘要

(3).设计内容及要求

(4)比较和选写设计的系统方案,画出系统框图 (5).单元电路设计、参数计算和器件选择

（6）.画出完整的电路图, 并说明电路的工作原理 (7).组装调试的内容。括: ①使用的主要仪器和仪表

a) 调试电路的方法和技巧

b) 测试的数据和波形并与计算结果比较分析 c) 调试中出现的故障、原因及排除方法。

（8）总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（9）列出系统所用的元器件清单。 （10）列出参考文献。 （11）收获、体会。

实验十七 数 字 频 率 计

数字频率计是用于测量信号（方波、正弦波或其它脉冲信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。

一．设计要求及技术指标 主要技术指标如下：

1）频率测量范围100Hz～10KHz 2)数字显示位数：4位数字LED显示 3）被测信号幅度U=5V（方波） 二．要求完成的任务

使用中、小规模集成电路设计与制作一台简易的数字频率计，应具下述功能： 1显示位数

要求能计4位十进制数 2、量程

第一档：最小量程档，最大读数是9.999KHz，闸门信号的采样时间为1s。 第二档：最大读数为99.99KHz，闸门信号的采样时间为0.1s。 第三档：最大读数为999.9KHz，闸门信号的采样时间为10ms。 第四档：最大读数为9999KHz，闸门信号的采样时间为1ms。 3、显示方式

(1)用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。 (2)小数点的位置跟随量程的变更而自动移位。

(3)为了便于读数，要求数据显示的时间在0.5s～5s内连续可调。 4、具有“自检”功能。 5、被测信号为方波信号。

6、画出设计的数字频率计的电路总图。 7、组装和调试

(1)时基信号通常使用石英晶体振荡器输出的标准频率信号经分频电路获得。为了实验调试方便，可用实验设备上脉冲信号源输出的1KHz方波信号经3次10分频获得。

(2)按设计的数字频率计逻辑图在实验装置上布线。

(3)用1KHz方波信号送入分频器的CP端，用数字频率计检查各分频级的工作是否正常。用周期为1s的信号作控制电路的时基信号输入，用周期等于1ms的信号作被测信号，用示波器观察和记录控制电路输入、输出波形，检查控制电路所产生的各控制信号能否按正确的时序要求控制各个子系统。用周期为1s的信号送入各计数器的CP端，用发光二极管指示检查各计数器的工作是否正常。用周期为1s的信号作延时电路的输入，用数码管接延时电路的计数器输出端，检查延时电路的工作是否正常。若各个子系统的工作都正常了，再将各子系统连起来统调。

8、调试合格后，写出综合实验报告。 三、工作原理

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为 f＝N／T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000Hz。

本实验课题仅讨论一种简单易制的数字频率计，其原理方框图如图1所示。

图1 数字频率计原理框图

晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms，10ms，0.1s，1s等），时基信号的选择由开关S2控制。被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号直接加到主控门的输入端。时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时

基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率f＝N / T，改变时基信号的周期T，即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。此时控制电路CC4013（b）的Q2输出一个高电平至延时电路，开始计时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。 当开关S2改变量程时，小数点能自动移位。

若开关S1，S3配合使用，可将测试状态转为“自检”工作状态（即用时基信号本身作为被测信号输入）。

四、基本单元电路的设计及工作原理 1、 控制电路

控制电路与主控门电路如图2所示。

主控电路由双D触发器CC4013及与非门CC4011构成。CC4013(a)的任务是输出闸门控制信号，以控制主控门(2)的开启与关闭。如果通过开关S2 选择一个时基信号，当给与非门(1)输入一个时基信号的下降沿时，门1就输出一个上升沿，则CC4013（a）的 Q1 端就由低电平变为高电平，将主控门2开启。允许被测信号通过该主控门并送至计数器输入端进行计数。相隔1s（或0.1s，10ms，1ms）后，又给与非门1输入一个时基信号的下降沿，与非门1输出端又产生一个上升沿，使CC4013（a）的Q1 端变为低电平，将主控门关闭，使计数器停止计数，同时Q1端产生一个上升沿，使CC4013（b）翻转成Q2＝1，2＝0，由于2＝0，它立即封锁与非门1不再让时基信号进入CC4013（a），保证在显示读数的时间内 Q1 端始终保持低电平，使计数器停止计数。

图2 控制电路及主控门电路

利用Q2端的上升沿送到下一级的延时电路。当到达所调节的延时时间时，延时电路输出端立即输出一个正脉冲，将计数器和所有D触发器全部置0。复位后，Q1＝0，1＝1，为下一次测量作好准备。当时基信号又产生下降沿时，则上述过程重复。 2.延时电路

延时电路如图3所示。

+5V

K

接CC4013（a）和(b)的R

﹠

﹠

1Hz

（4）

（5）

接频率计数器CC4518

的R

﹠

（3）

接CC4013(b)的Q2

Q0 Q1 Q2 Q3 CP CC4518 R

EN （C）

接CC4013(b)的2

“1”

图3 延时电路

当来自CC4013（b）的Q2=1时，与非门（3）开启，计数器CC4518(c)开始对1Hz的连续脉冲进行计数，当计数值为6时，Q1，Q2输出高电平，经与非门（4）输出低电平，则与非门（5）输出的高电平使CC4013（a）、(b)和频率计数器CC4518均清零，为下一次测量做准备。同时，由于清零后使CC4013（b）的2=1，使CC4518（c）复位，为下一次计时显示做准备。K为开机置零按钮。 五．扩展部分

1．如何测量正弦波和三角波信号的频率？

2.设计一个3次10分频电路将1KHz方波信号分频为100Hz、10Hz、1Hz输出。 3．如何使小数点随量程的改变而自动移位？

六、实验设备与器件

1、＋5V直流电源 2、双踪示波器 3、连续脉冲源 4、逻辑电平显示器 5、直流数字电压表 6、数字频率计

7、主要元器件（供参考）

74LS90(二—五—十进制加法计数器) 4只 CD4518双十进制同步计数器 4只 CC40192（同步十进制可逆计数器） 3只 CC4013（双D型触发器） 2只 CC4011（四2输入与非门） 3只 CC4069（六反相器） 1只 CC4001（四2输入或非门） 1只

CC4071（四2输入或门） 1只

2AP9 （二极管） 1只 电位器（1MΩ） 1只

电阻、电容 若干

七．课程设计报告 （1）.课题名称 (2).内容摘要

(3).设计内容及要求

(4)比较和选写设计的系统方案,画出系统框图 (5).单元电路设计、参数计算和器件选择

（6）.画出完整的电路图, 并说明电路的工作原理 (7).组装调试的内容。括: ①使用的主要仪器和仪表

1) 调试电路的方法和技巧

2) 测试的数据和波形并与计算结果比较分析 3) 调试中出现的故障、原因及排除方法。

（8）总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（9）列出系统所用的元器件清单。 （10）列出参考文献。 （11）收获、体会。

八．思考题：

1．如何扩展量程？譬如：要测量8964.6542KHz的频率信号,如何进行测量？

2．如何测量正弦信号？

实验十八 拔河游戏机

拔河游戏机是一种用数字信号模拟拔河比赛的实验装置。比赛双方通过控制指示灯的移动方向来模拟绳子被拉向哪一方，当指示灯先到达某一方的终点时，则判该方取胜。 一、设计要求

1．比赛双方各自拥有4盏（或7盏灯），每次只有一盏灯亮。通过点亮的指示灯的位置来判断绳子偏向于哪一方。比赛开始前，点亮的指示灯应位于双方的中点。 2．比赛开始后，无论哪方获胜，均要停止比赛，直到裁判宣布后方可重新比赛。 3．比赛要在规定的时间内决出胜负，否则，由记时电路停止比赛，直到裁判宣布后方可重新开始。

4．要求能显示双方获胜的局数。 二、实验任务

给定实验设备和主要元器件，按照电路的各部分组合成一个完整的拔河游戏机。 1、拔河游戏机需用15个（或9个）发光二极管排列成一行，开机后只有中间一个点亮，以此作为拔河的中心线，游戏双方各持一个按键，迅速地、不断地按动产生脉冲，谁按得快，亮点向谁方向移动，每按一次，亮点移动一次。移到任一方终端二极管点亮，这一方就得胜，此时双方按键均无作用，输出保持，只有经复位后才使亮点恢复到中心线。

2、显示器显示胜者的盘数

3.要有比赛时间控制和显示电路，当比赛停止后时间锁定，且必须复位后方可重新比赛。 三、实验原理

1、 实验电路框图如图1所示。

图1 拔河游戏机线路框图

按动复位键后，可逆计数器复位，输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。同时计时电路开始工作，当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，则该方取胜。由于取胜锁定电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用，同时使计时器停止工作。如按动复位键，亮点又回到中点位置，计时器清零，比赛又可重新开始。如规定时间到，仍没决出胜负，则比赛时间控制电路使可逆计数器的输出状态锁定，同时使计时电路停止工作。

将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个脉冲使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。 2.拔

河游戏机基本功能的电路图（见图2）

图 2 拔河游戏机基本功能的线路图

四、实验设备及元器件

1、＋5V直流电源 2、 译码显示器 3、逻辑电平开关

4、CC4514 4线－16线译码／分配器 1只 CC40193 同步递增／递减 二进制计数器 1只 CC4518 十进制计数器 1只 CC4011 与非门 3只 CC4081 与门 1只

CC4030 异或门 1只 电阻 1K 4只

五、设计步骤

图1为拔河游戏机整机线路图。

可逆计数器CC40193原始状态输出4位二进制数0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。当按动A、B两个按键时，分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终端后，由于控制电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。如按动复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。

将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器CC4518的允许控制端EN，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个下降沿使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。

1、 编码电路

编码器有二个输入端，四个输出端，要进行加 / 减计数，因此选用 CC40193双时钟二进制同步加 / 减计数器来完成。 2、整形电路

CC40193是可逆计数器，控制加减的CP脉冲分别加至5脚和4脚，此时当电路要求进行加法计数时，减法输入端CPD 必须接高电平；进行减法计数时，加法输入端CPU 也必须接高电平，若直接由A、B键产生的脉冲加到5脚或4脚，那么就有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器不能计数，双方按键均失去作用，拔河比赛不能正常进行。加一整形电路，使A、B二键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每按一次键都有可能进行有效的计数。整形电路由与门CC4081和与非门CC4011实现。 3、译码电路

选用4－16线CC4514译码器。译码器的输出Q0～Q14 分别接15个（或9个）个发光二极管，二极管的负端接地，而正端接译码器；这样，当输出为高电平时发光二极管点亮。 比赛准备，译码器输入为0000，Q0 输出为“1”，中心处二极管首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。

4、控制电路

为指示出谁胜谁负，需用一个控制电路。当亮点移到任何一方的终端时，判该方为胜，此时双方的按键均宣告无效。此电路可用异或门CC4030和与非门CC4011来实现。将双方终端二极管的正极接至异或门的两个输入端，当获胜一方为“1”，而另一方则为“0”，异或门输出为“1”，经非门产生低电平“0”，再送到CC40193计数器的置数端PE，于是计数器停止计数，处于预置状态，由于计数器数据端A、B、C、D和输出端QA、QB、QC、QD对应相连，输入也就是输出，从而使计数器对输入脉冲不起作用。 5、 胜负显示

将双方终端二极管正极经非门后的输出分别接到二个CC4518计数器的EN端，CC4518的两组4位BCD码分别接到实验装置的两组译码显示器的A、B、C、D插口处。当一方取胜时，该方终端二极管发亮，产生一个上升沿，使相应的计数器进行加一计数，于是就得到了双方取胜次数的显示，若一位数不够，则进行二位数的级联。胜负显示器的复位用一个开关来控制胜负计数器CC4518的清零端R，使其重新计数。 6、 复位

为能进行多次比赛而需要进行复位操作，使亮点返回中心点，可用一个开关控制CC40193的清零端R即可。

六．课程设计报告 （1）.课题名称 (2).内容摘要

(3).设计内容及要求

(4)比较和选写设计的系统方案,画出系统框图 (5).单元电路设计、参数计算和器件选择

（6）.画出完整的电路图, 并说明电路的工作原理 (7).组装调试的内容。括: 1）调试电路的方法和技巧

2）测试的数据和波形并与计算结果比较分析 3）调试中出现的故障、原因及排除方法。

（8）总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

（9）列出系统所用的元器件清单。 （10）列出参考文献。 （11）收获、体会。 注：

1、 CC40193同步递增/递减二进制计数器引脚排列及功能

参照实验七 CC40192。

2、 CC4514 4线－16

A0～A3 — 数据输入端 INH — 输出禁止控制端 LE — 数据锁存控制端 Y0～Y15 — 数据输出端

① 输出状态锁定在上一个LE＝“1”时，A0～A3的输入状态 3、 CC4518双十进制同步计数器引脚排列及功能

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