脉冲宽度的测量

第一章绪论
§1－1研究本课题的意义
脉冲宽度的测量，实质是时间的测量，在生产和科学研究中，经常要测量时间，例如，完成第一生产工序所需要的时间，周期性信号的周期，激光测距和雷达测量目标距离，也是测量电磁波从目标反射回来的时间来确定目标的距离，运动物体行程的时间等等都说明时间测量的重要性。

§1－2时间测量的方法
常见的时间测量仪表有运动会上用的秒表和家庭用的时钟，个人用的手表，这些机械式仪表读数不太精确，分辨力不太高，例如手表的分辨力为秒百米赛跑的计时秒表也只能分辨到0.01秒，如果要测量微秒，机械式的秒表是办不到的，只有采用电子式仪表要测量。

§1－3电子计时的工作原理
随着电子技术的飞速发展，新的电子元器件的出现，为制造先进的仪器仪表奠定基础。

电子计时器的工作原理是由一基准的时钟脉冲源，目前时钟频率可达到几千兆赫，如计算机的主振频率可达到几个GHz，它的一个周期的时间为零点几个毫微秒，用这种时钟脉冲来测量时间，其分辨力可达到10－9秒。

电子计时器的工作原理框图1－1所示，用一个门电路来控制时钟脉冲通过，例如用一个电子开关使门打开，使时钟脉冲通过门电路送到计数器，进行计数，经过一段时间发出一个信号使门电路关闭。

无时钟脉冲通过，计数器停止计数，计数器计的数通过译码、显示器、显示电路及可用数字显示这段时间
时钟
脉冲
图1-1 计时电路框图
电子计数仪的优点：精度高、使用方便、读数直观、测量范围大，可远距离传输
§1－4时间测量仪的应用
数字式时间测量仪是生产和科学实验中不缺少的基本仪表，在测量速度、加速度、动量、冲量、频率和周期等方面都得到广泛应用。

第二章方案论证
§2－1设计任务
输入被测电压幅度：0.1～10V
输入信号的脉冲宽度≧100us
测量误差≦1%
可测量周期性信号的周期
§2－2脉冲宽度测量的工作原理
脉冲宽度的测量，实质上是时间的测量，其电路组成包括输入通道，时基电路、主控门电路、控制电路、计数与显示电路五大部分组成。

如图2－1所示
图2-1 脉冲宽度测量电路框图
一． 输入通道
输入通道包括阻抗变换、电压放大、整形电路等几部分组成，若输入信号太大，可经过限幅电路或衰减电路，信号太小，经过电压放大器送到整形电路。

整形电路的作用是将被测信号的脉冲前沿和后沿变得很陡峭，以便提高测量精度，输入通道的电路框图如图2－2所示。

图2-2 输入通道电路框图
二．时基电路
采用晶体振荡器作时基电路，其频率稳定度高，可达到10－8比RC 振荡器和LC 振荡器的频率稳定度高出几个数量级，可提高测量精度。

晶体振荡器输出的正弦波，经整形电路得到时基脉冲信号，若晶体振荡频率为1MHz 其周期Ts ＝1us ，若在被测信号脉冲宽度期间，计数器计的数为N 。

则脉冲宽度就是N 微秒。

时基电路框图如图2－3所示
图 2-3 时基电路框图
被测
信号
被测
三．主控门电路
主控门主要作用是闸门开启时间受控制信号控制，脉冲宽度测量，测量电路是利用被测信号作为控制信号，主控门的开启时间就是脉冲宽度，通过主控门的进基脉冲数为N，则被测信号的脉冲宽度为t
是时基脉冲的周期。

图2－4是主控门的电路框图。

图2-4 主控门电路框图
四．计数器电路及显示电路
计数器电路是数字电路的一个重要组成部分。

它的作用是对主控门输出脉冲个数进行计数。

并通显示器将所记录的结果用数字显示出来。

目前，计数器电路的种类甚多，为了便于观察和读数，数字仪器通常采用十进制计数器。

图2－5是计数器与显示电路框图。

图中寄存器电路的用来暂时存放数字代码的电路，有了它计数器可以提高测量速度，并使每一次测得的数据能相对稳定地显示出来。

译码／驱动电路的作用是将各种编码形式的数码进行翻译，使之能够驱动十进制数码显示器各极的驱动信号，显示器是由七段发光管组成的数字显示器。

图2-5 计数与显示电路框图
五．控制电路
控制电路的作用是产生各种控制信号，专控制各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。

在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照“复位－测量－显示”的程序自动地进行，其工作流程如图2－6所示
图2-6 工作流程图
1.准备期：在开始进行测量之前应当做好准备工作，使各计数器电路回到原始状态，并抹掉读数，这一过程称为“复零”，在“复零”完成后，门控双稳处于等待状态。

2.测量期：通过频标信号选择开关，从时基电路选取时基脉冲周期在被测信号的脉冲宽度时间内使主控门开启，让时基脉冲通过主控门进入计数器电路计数，这段时间称测量时间。

3.显示期：在一次测量完毕后，关闭主控门，计数结果送到显示电路去显示，为了便于读取和记录测量结果。

显示的读数应当保持一定的时间，这段时间称为显示时间。

显示时间完结后，再做一次测量的准备工作。

上述测量过程由控制电路来实现。

图2－7是控制电路的原理图
图 2-7 控制电路原理图
工作原理如下：
1. 准备期：门控双稳复零（Q 1＝0）闭锁双稳置“”（Q 2=1）撤消对门控双稳J
端的闭锁，使门控双稳处于等待状态。

2. 在第一个脉冲作用下，门控双稳翻转，Q 1输出高电平，使主控门开启。

3. 在每二个脉冲作用下，门控双稳翻转Q 1=“0”,主控门关闭，在关闭主控门的
瞬间，Q 1的负跳变使闭锁双稳翻转，Q 2输出的低电平使门控双稳闭锁于零态。

4. 在Q 2负跳变沿作用下，显示单稳产生控制显示时间的延时信号。

5. 显示结束时产生复零脉冲，使有关电路恢复到初始状态
第三章单元电路设计
§3－1计数及显示电路
时间和频率测量，计数器均采用十进制计数器，十进制计数器种类很多，可采用TTL 电路74ls90,74ls168,74ls196 也可采用CMOS 电路cd4518
一．用74ls90组成二位十进制计数器
“1”
图3-1 两位十进制记数器
二．用CD4518组成四位十进制计数器
图3-2四位十进制记数器
CD4518是双十进制计数器，包含两个十进制计数器，它们的计数单元是T触发器。

有两个时钟输入端Cp和EN如果用上沿触发，则信号从CP端输入，并使EN端为“1”电位，如果用下降沿触发，则信号从EN端输入，并使CP端保持为“0”电平，另外还有一个清零端Cr，当Cr端加“1”电平或正脉冲时计数器各输出端为“0”电平。

三译码驱动电路
74LS48和CD4511七段／锁存／译码／驱动器，可驱动其阴极数码管
74LS47七段译码／驱动器,可驱动共阳极数码管
四．显示器
1．GEM4010BE－D共阳数码管
2. FJS5101AH共阴数码管
五．计数与显示器总体电路
为了简化电路，提高可靠性，选用CD40110十进制计数／译码／驱动为一体的集成电路。

利用Cd40110可以直接计数驱动数码管，使电路大大简化如图3－3所示
图3-3 四位计数器电路原理图
§3－2时基电路
时基电路的作用是提供一个标准的振荡器，振荡器频率一定，则其周期也就一定，若时基电路的周期为1us，则计数器一百个数，则计数时间就为100us。

振荡器种类很多，有RC正弦振荡器、多谐振荡器、LC正弦振荡器、石英晶体振荡器。

三．时基电路555构成的振荡器如图3－4所示
图3-4
555振荡器的工作原理如下：接通电源后，直流电源通过R1和R2对电容C充电，当电容C充电到一定值后，内部泄放管导通，C通过R2和⑦脚放电，电容两端电压近似为三角波③脚输出为方波。

振荡周期为T
T=T1+T2
T1＝（R1+R2）CLn2
T2＝R1R2CLn2
二．环开振荡器
图3-5
图3－5是用TTL逻辑门构成的环形振荡器，电路完全对称，电容充放电时间相同，输出为对称方波振荡周期T=T1+T2=1.4RC
输出频率f＝1／T＝1／1.4RC
三．晶体振荡器
图3－6是改进型的石英晶体振荡器反相器工作在线性放大状态，石英晶体作为反馈元件，当电路振荡频率接近石英晶体的固有串联谐振频率时，电路维持振荡条件，由于石英晶体的固有谐振频率十分稳定，所以常用作基准时基电路，半可变电路起微调作用。

图3-6
四．时基电路的总体电路
图3-7
图3－7是时基电路总体电路图，为了扩展测量范围，晶体振荡器振荡频率为10MHz，输出周期为0.1us，经过一片CD4518双十进制计数器可分别得到1MHz 和100KHz的两个频率，时基信号周期分别为1us和10us，这样就可以扩展量程为0～999.9us 0～9999us 0～99.99ms
§3－3控制电路及主控门电路
因为脉冲信号都是周期性信号，若脉冲频率较高，脉冲宽度为几百微秒到几十毫秒，直接用被测信号去控制主控门的开启和关闭，计数器和显示电路来不及显示读数。

因此，控制电路需要产生脉冲宽度等于被测信号脉宽，去打开主控门，当脉冲结束后要立即锁主控门，使显示延时2－3秒。

控制电路采用74LS111双J-k触发器和74LS123双单稳态触发器
74LS(1) 功能表
74LS(2) 功能表
图3-8
图3－8是控制电路的电原理图及控制信号的波形图
在等待期Q1=“0”，当CP1端的脉冲下降沿触发Q1=“1”，主控门开启，计数器计数，当第二个脉冲下沿使第一个J-K触发器翻转Q1=0,主控门关闭，计数器停止计数，此时Q2=“0”使门控双稳锁于“0”态
显示器显示测得的数字，当显示延时结束后，产生复零脉冲，使计数器有关部分恢复到原始状态。

在复零信号结束时，不能立即开始新的测量，由封锁单稳提供一个短暂的辅助
闭锁信号L，使Q2＝“1”，在所有闭锁信号都解除后，门控双稳又处于等待下一次触发的状态。

§3－4输入通道
输入通道的作用是将输入的大信号衰减，小信号加以放大，然后经过整形电路得到前后沿非常陡峭的方波，以提高测量精度。

图3－9是输入通道的电路的原理图
图3-9输入通道
图中R1、R2组成衰减电路，信号太大可衰减十倍，A1组成反相放大器A2组成比较器，得到方波，经RC微分电路，获得尖脉冲，A3组成精密整流电路，A4组成比较器，得到CLK信号送到控制电路。

§3－5电源电路
为了给电路供电，将交流变为直流，经直流稳压电源给所有电路供电图3－10是直流稳压电路原理图
图3-10
市电220V交流电压，经变压器变成7.5V交流电压，经桥式整流得到8V左右的直流电压，再经三端直流稳压块，输出稳定的5V直流电压。

第四章安装调试方法
§4－1直流稳压电源的调试
接通电源之前，用万用表的欧姆档检查负载端是否有短路处，检查整流二极管正反向电阻是否正常，如果正常接通电源，用万用表的直流表压档测量7805输入和输出端电压，一切正常
§4－2晶体振荡器的调试
利用示波器观察振荡波形，用示波器测量频率，要精确测量可采用数字频率计进行测量，调整微调电容，使振荡频率精确为10MHz。

然后检查CD4518两极十分频电路，分别输出1MHz和100KHz，时基电路正常。

§4－3计数器及显示电路的调试
利用函数信号发生器卷入100Hz的脉冲信号，检查计数器是否正常，安装无错误，一切正常。

其中，有个别数码管显示缺笔划，经检查是有地方虚焊，焊好以后，一切正常。

§4－4输入通道电路的调试
利用函数信号发生器输入小信号，用示波器观察波形，放大器和过零比较器都正常，输出方波前，后沿都陡峭，微分电路的尖脉冲也正常，改变电阻可改变尖脉冲的宽度。

精度整流电路工作电路也正常，A4输出的脉冲也符合要求。

§4－5控制电路和主控门的调试
将输入通道的信号加到控制电路的CLK端，用示波器观察Q1和Q2的波形。

结论
致谢
几个月的毕业设计结束了，虽然每天都忙忙碌碌，也遇到了很多的困难，但是我依旧非常留恋这短暂的时光。

此间我有很深刻的感受，这就是作为一名科学工作者是多么的不易，科研成果的得来是多么的困难。

这需要具有一丝不苟，科学认真的态度。

在此我要感谢我的导师欧阳杰老师。

从毕业设计的题目的选定到最后论文稿的修改直至定稿，欧阳老师始终一丝不苟，尽心尽则，给予悉心的指导。

同时，我还要感谢大学四年来曾教授过我知识和未曾教授过我知识的老师，是你们的不断努力才会涌现出大量的科技人才。

使科学进步，国家强盛。

该设计的顺利完成，得益于老师的教导和同学的帮助，再次的感谢你们！
参考文献。