脉冲数显与电压指示电路设计

张玉娟 谢 龙

无锡城市职业技术学院（江苏 无锡 214153）

0 引言

脉冲信号应用广泛，如数字脉搏测试仪[1]、压电式种子计数系统[2]、基于MCU+CPLD的新型光栅数显示系统[3]。对脉冲信号的测量，主要采用计数器，如基于STC89S52的低成本可编程计数器[4]、基于STC89C51单片机的自动计数器[5]、用于脉冲信号测量的数显表[6]、电表脉冲数传仪[7]等。由磁控电路、RS触发器、计数器、译码驱动器、数码显示电路、权电阻数/模转换电路构成的脉冲数显与电压指示电路，采用的芯片主要为74HC00、74HC161、MC4512B、LM324等。计数器输送信号给运算放大器及权电阻数/模转换电路，通过调节对应的电阻值就能使电流与该数码的权值成正比，运算放大器对电流进行求和运算，之后经反相器输出一个与计数数值成正比的模拟电压[8]。

1 设计方案

脉冲数显与电压指示电路以MC4512B为核心，由磁控电路、以74HC00芯片为核心的RS触发器、以74HC161芯片为核心的同步加法计数器，加上几个阻值为1 kΩ的上拉电阻和数码管构成的数码显示电路、以LM324芯片为核心的权电阻数/模转换电路以及直流稳压电源等部分组成。设计方案如图1所示。

图1 设计方案图

2 原理介绍

通过磁钢依次靠近干簧管的方式，磁控电路输出一个负向矩形脉冲，此脉冲经RS触发器输出端，给到计数器的脉冲输入端，计数器随着脉冲上升沿的到来依次加1，由计数器输出的二进制数经过译码、驱动数码管显示一位十进制数，每16个脉冲完成一个循环，因此只显示0～9，后面的不显示，只是计数。计数器的输出同时送给权电阻数/模转换电路和反向器后，输出一个与计数大小成正比的模拟电压量。

2.1 磁控电路

磁控电路如图2所示。磁控电路中S1、S2是磁控干簧管。干簧管是由特殊材料制成的一种磁敏特殊开关，当磁铁接近时，干簧管的两个节点会吸合，从而使电路接通。没有外加磁场时，干簧管的上端均是高电平，为断开状态；当有磁钢靠近通过时，它们的触点先闭合再分开，因此在其两端可以形成一个时间上有先后的负向矩形脉冲。

图2 磁控电路图

2.2 RS触发器

IC1A和IC1B两个与非门组成的RS触发器如图3所示。IC1A的输出引脚3与IC1B的输入引脚4相连，IC1B的输出引脚6与IC1A输入引脚1相连。1脚、5脚和3脚分别是触发器的置“1”端、置“0”端和输出端Q。由磁控电路传送来的两个负向矩形脉冲，被先后加至触发器的5脚和1脚，RS触发器就会输出一个负向矩形脉冲。

图3 RS触发器

2.3 同步加法计数器

计数器电路如图4所示。IC2计数器的脉冲输入端接收到RS触发器输出的矩形脉冲后，每遇到脉冲上升沿，计数器就会加1，计数器最终输出二进制数码。该电路计数范围是0～15（1111）。另外，芯片的引脚9和引脚1分别接上电阻阻值均为47 kΩ的R3和R4。这两个电阻的另一端短接，并且与电源Vcc相连。容量为10 µF的电解电容C5的正极与芯片引脚1相连，C5负极接地。

图4 计数器电路

2.4 数码管显示电路

IC3接收的四位二进制数，经过译码，驱动数码管显示一位十进制数0～9。当计数值超过9时，数码管熄灭，但计数照常进行；计数到15后的下一个计数脉冲会使计数器复“0”，从而数码管再次显示数值。芯片MC4513的引脚11～引脚16分别与数码管的引脚1～引脚8相连，要求一一对应，并且在数码管与芯片MC4513之间接上7个阻值为1 kΩ的电阻，数码管的引脚8接地，芯片MC4513的引脚3、引脚4与电源相连，引脚8、引脚5与地相连。数码管显示电路如图5所示。

图5 数码管显示电路

2.5 权电阻数/模转换电路、放大器、反向器

带有差动输入的四运算放大器LM324可用在模拟计算机中做加、减、微分、积分等运算。计数器的输出同时送给V1、V2、V3、V4、运算放大器IC4-1以及权电阻数/模转换电路，其中V1、V2、V3、V4是二进制数各数码位的开关。当对应位的值是“0”时，开关断开；当对应位的值是“1”时，开关闭合。开关闭合时，分别调节集电极的电阻值就能使其通过的电流与该数码位的权值成比例（V1、V2、V3、V4的权值分别为1、2、4、8）。IC4-3对产生的电流进行运放求和运算，IC4-2对其反相后，最终输出一个与计数结果大小成正比的模拟电压。权电阻数/模转换电路、放大器、反向器的电路图如图6所示。

图6 权电阻数/模转换电路、放大器、反向器的电路

2.6 电源电路

电源电路图如图7所示。其为系统提供一个稳定的直流电压，其输出的电压值为+5～-3 V。

图7 电源电路

3 实物制作及测试

脉冲数显与电压指示电路的实物图如图8所示。当用磁钢轮流靠近S1、S2时，计数器加1，数码管能显示0～9共10个数值，不显示11～15。当数码管显示“1”时，调整相应的集电极电阻使输出电压为0.1 V；当数码管显示“2”时，调整相应的集电极电阻使输出电压为0.2 V；当数码管显示“4”时，调整相应的集电极电阻使输出电压为0.4 V；当数码管显示“8”时，调整相应的集电极电阻使输出电压为0.8 V。数码显示与输出电压数值照片如图9所示。权电阻网络调整完成后，输出电压随着计数加1而相应增加0.1 V，计数值为0～15，所以电压值在0～1.5 V内相应变化。

图8 脉冲数显与电压指示电路实物图

4 结束语

图9 数码显示与输出电压数值

文章设计制作了脉冲数显与电压指示电路，该电路由磁控电路、RS触发器、计数器、译码驱动器、数码显示电路、权电阻数/模转换电路、电源电路等部分组成。当数码管分别显示1、2、4、8时，用万用表检测电路的输出端，与之对应的输出电压分别为0.1 V、0.2 V、0.4 V、0.8 V，说明输出端的模拟电压量与计数结果大小成正比。