基于Multisim：数控脉宽脉冲信号发生器

时代的进步，科学的发展，人才标准的提高，对越来越多的人提出更高的要求，而这是每种学习动力的前提之一。所以在面对各种各样的设计，更要有良好的分析系统的方法，本次设计是脉宽脉冲信号发生器，通过输入信号的转变从而得到设计要求的输出信号，使得完成整个设计的同时也是完成整个学习的要求。通过输入信号，根据输入频率的多少，再由输入信号控制两个不同的计数器，从而产生不同样频率的占空比输出情况波形图。

第一章课程概述

1.1整体功能要求

脉宽脉冲信号发生器整体电路框图如图1-1所示，输入脉冲信号作为模100的BCD加计数器的时钟信号。计数器的输出量值和可编程数控量值在数字比较器中比较。当计数器的量大于可编程数控量值是，比较器输出A>B端子由“0”变为“1”，比较器输出A

图1-1数控脉宽脉冲信号发生器整体电路框图

由于计数器连接成模100的计数器，因此输出频率为输入信号频率1%，输出脉冲宽度tw=DTi（D为可编程数控量值）。

1.2设计目的

学生能够使用Multisim软件对课设进行系统合理的分析，从而实现从理论到实践的转变，加强对理论的掌握。

1.3结构分析

从图1-1中可以看出，整个系统分为几个构件组成，所以仅仅需要把各个构件足以实现目的加以设计，然后再进一步把它们两两之间的联系搭建起来，从而完成设计。此外，在两输入脉冲信号也可以看出，有两种不同的脉冲信号需要设计，换言之，一种为“手动”而另一种为“自动”。“自动”的为模100计数器的输入脉冲信号，而“手动”的为可编程数控的输入脉冲信号（简单来说是脉冲信号的输入端信号来源）。

第二章各个模块设计

2.1简要说明

由于设计中存在一些问题，也要简单地做一些测试，所以在这里采用从简单模块到复杂来进行书写，但设计步骤仍然是以“自下而上”“从左到右”的原则。

2.2脉宽控制键

这是不同于图1-1中的输入脉冲信号，相比是需要人手通过鼠标或者键盘来控制脉冲的幅度，由于其难易程度也并不大，仅仅在设计如何消除按键抖动。由于在仿真软件中会自动把这种按键抖动给忽略掉，但是为了符合实际，所以对仿真软件同时也采用消抖的操作。可参考图2-1，电路可以通过两个与非门将输入抖动的信号转化成为平直无抖动的信号，原理与RS锁存器类似，所以可以用RS锁存器来代替，因为两者之间没有多少区别，两个与非门这样连接就能够实现RS锁存器的内部电路结构。

图2-1消除按键抖动电路图（图片来源于网络[1]）

从图2-1中，我们可以得出附录I-1的电路图，Multisim软件仿真电路，然后在经过稍稍修改而这一方面的测试（包括后面各个模块的电路）为了使得整个文档更加整洁，会放在第三章测试。

图2-1为SR锁存器原型，如表1-1真值表所示，一方面两个高电平将74LS00与非门芯片中各一个引脚置高，所以无论按键如何波动也只能使得1一个引脚拉低到低电平，所以RS锁存器中R端与S端中两者同时出现0的情况便不存在，所以不稳定且不允许的错误就不会发生。

表2-1

也就是说按键向下按下，从01到10的过程出现了抖动，而无论怎么抖动他输出的功能只有一个也就是从置0到置1，所以就不会产生输出抖动的波形。

2.3可编程数控

这一方面由于涉及到2.2所涉及的电路，但是在这里也不做解释，均放在第三章来做测试用。

可编程数控电路在脉冲控制键控制下做加1或减1的逻辑操作。它实际上就是一个可逆计数器，用两片十进制加/减计数器级联成模100的加/减计数器。其输出数据分别送到比较BCD电路对应的数据端，在按键脉冲的作用下，数控0–99的各种数码。

在这里可编程数控，即是脉宽控制建电路的下一个步骤，也是完成下一步的重要一环节。而采用到加/减计数器，而这方面的加/减计数器在74LS系列中有许多类似的，所以在这里仅仅使用4029BD，整个电路可参考附录II-1电路图。

图2-2可编程数控思维框图

附录II-1电路图是按照图2-2思路所设计的，从上述可以知道，脉宽控制键服务于4029BD（这里指的是低位）时钟脉冲输入端，从而产生相应的电平信号带动两片4029BD。但由于4029BD芯片是一种兼备加法器和减法器的电路芯片，所以必须对其加/减逻辑进行变换，才能达成在脉宽控制键电路所输送的电平信号下，做出“+”或者“-”的信号反应。

这一部分对“可编程”的部分换做是开关控制，使得这个模块未为组合前具有一定的独立性。由于CI端口为进位输入端口，所以对“高位”进行进位控制，或者类似74LS系列的“时钟控制”，从而实现高位的带动。而其他引脚除了二进制/十六进制和加/减操作需要注意其他均做不使用，所以直接弄到低电平就可以了。

2.3.1二进制和十六进制区别

由于芯片输入分为二进制和十六进制，但由于4位2进制仅仅只能表示16进制中的1位，即要输出4为做4段数码管使用的输入信号，则需要16位输入2进制信号，所以在这里采用16进制。而控制该输入信号的仅仅只需要把该引脚接入低电平，这是不同于之前那些可以直接接入低电平，接入高电平会让输出数据产生巨大的不同。

2.4模100计数器

这里与2.3中类似，而不同的是74LS160是在电子原件中较为广泛的74LS系列，而4029BD则是与74LS系列中某个元器件类似的原件，但使用方法是一致的，可参考附录II-1电路图。

它与4029BD芯片不同的是仅仅只能做加法而不能做减法，而进位信号较为麻烦，需要通过一定方式接入然后输入到“高位”的CLK时钟脉冲输入引脚做“时钟脉冲信号”。由于模100计数器并没有对加法计数器的进制有任何要求，可参照附录II-2电路图，所采用的进位信号也相当简单。

表2-2

如表2-2所示，其他引脚都不需要使用所以可以直接接到高电平，从而不让其产生作用。原因是因为清零本身是因为芯片不起作用，而ENT和ENP引脚仅仅在两者皆为高电平的时候才会是设计的计数器要求。再加上CLR和LOAD两引脚是属于置数端口，而两者置数方法大相径庭，一个是异步置数，一个是同步置数端。但因为俩片74LS160芯片刚好构成100进制的计数器，也就是模为100的计数器，所以两置数引脚只需要全部置为高电平即可。而进位则是上述所说的方法将低位的进位端作为高位的时间脉冲输出端，这样就可以完成低位走完一圈，高位才刚刚走了一步。

2.5占空比显示

图2-3占空比显示电路思维框图

在图2-3中，信号来源是从可编程数控电路来到4511BD译码器输入端，从而得出附录II-2电路图。再加上由于七段数码管没有在“中间电阻”下——无法使用——也就是说需要对该电路进行适当的电路保护，从而使得七段数码管中的输入电压不至于太高。仿真就是仿真，所以在实际电路中不能仅仅只是180欧姆，不然不是主体电路烧了，就是七段数码管烧了！所以给了两个数码管的保护电阻，从而能让程序稳定运行。

2.6八位BCD码比较器

图2-4 八位BCD码比较器

这是两个“计数器”电路比较后产生出最后波形（这波形同样是在第三章）的电路，可见附录II-4电路图。在接收模100计数器和可编程数控俩电路分别输送到比较器的各8位数码时候，74LS85会对两者进行比较。例如模100计数器输送的数字为90，而可编程数控为30，两者各自的二进制数码为10010000以及00110000，74LS85是由高位开始比较的，即最高位相等的时候才会比较下一位，就如刚刚两位数码，模100计数器最高位为1而可编程数控最高位为0，所以直接输出大于的结果，但俩者最高为均为1的时候，才会去比较下一位，以此类推。

2.7输入脉冲信号

输入脉冲信号是给两个将要比较的电路给予一个“时间脉冲”，电路主体采用ne555芯片产生方波（即脉冲信号），可参考图2-5电路图。

图2-5输入脉冲信号电路图

经过查资料知[2]，ne555芯片可以产生三中波——方波、三角波、正弦波——而这里我们需要的仅仅是脉冲波——方波，可参考图2-6电路图，2-7公式图。

图2-6 输入脉冲信号电路图（图片来源于网络[2]）

图2-7计算相应频率公式图（图片来源于网络[2]）

可以简单修改使之成为能够在1K-100K之间频率输出的时间脉冲。

第三章各个模块测试

在这里对上述最基本子块进行测试，然后一步一步叠加，最后在进行总体的电路测试，主要测试为波形图变换和数码管的现象。加以测试后，若有问题则进行初步的改进

3.1脉宽控制键测试

测试电路图可以参考附录III-1电路图开始测试：

1）开始仿真在未按下键位的时候，查看示波器现象，放大到一定的倍数

图3-1 仿真开始示波器图

2）按下后查看现象

3）重复1）2）

图3-2快速按下两次键位变化图

3.2可编程数控测试

3.2.1单独测试

仿真电路图可参照附录图III-2图，测试开始：

1）开始仿真

图3-3 可编程数控电路测试开始图

2）按下开关改变计数器计数“方向——加减逻辑变换”

图3-4按下后的现象图

图3-5 持续一段时间的现象图

3）重复1）2）

3.2.2脉宽控制键、占空比显示与可编程数控测试

可参考电路附录图III-3所示电路图；3.2.1中只是测试可编程数控能够正常工作，所以为了更好的描述3者配合起来的效果，可见图3-6思维框图所示。三部分组成，即脉宽控制键电路、占空比显示电路以及可编程数控电路组成，在脉宽控制电路控制的是可编程数控电路，从而带动占空比显示电路进行变换。且在附录图III-3中A为脉宽控制键位，而空格为逻辑变换键位。

图3-6脉宽控制键、占空比显示与可编程数控组合框图

开始测试：

1）先不改变脉宽控制键，先观察占空比显示电路与可编程数控电路之间能否很好显示，此时占空比为0%

图3-7 测试开始

2）按下若干次脉宽控制键即A键位，观察现象

图3-8 测试仿真图

图3-9测试仿真图

3）重复1）2）若干次以后进行下一步

4）按下空格键位，改变逻辑方向，再次按下A键位观察现象

图3-10测试仿真图

3.2.1占空比显示电路改进

由于上述测试仅仅只是动态的计数器，而不是一个输出占空比的显示器，所以再对改进同时，两者配合方式做了稍微的调整，可参考附录图III-4以及图III-5电路图。

将脉宽控制键原本是控制时钟脉冲输出的，由于上述测试需要到所以暂时把他接到加、减逻辑控制处。图3-13是改进后的电路图，但由于加减逻辑控制因为没有任何元器件所以用“空格”键对4029BD芯片进行切换模式后，发现有高位数码管存在“奇怪”的跳位，所以对其进行了一系列改变。

而再对输入“+”或“-”逻辑信号经过门电路可以消除这一中影响。

3.3整体电路测试

3.3.1初步测试

整体电路图放在附录中，所以只是显示最后的示波器出来的波形图；

仿真开始：

1）观察最先开始的波形图

2）改变脉宽控制键状态

3）再次改变，查看状态

4）重复

图3-13仿真开始

图3-14持续一段时间后

图3-15按下按键

图3-16再次按下

3.3.2考虑占空比测试

由于占空比不同可能会导致电路波形图不同，所以对其进行测试时候，首先对占空比调一定的占空百分比，在开始测试。

开始测试：

1）调占空比为50%，查看波形图

图3-17 50%占空比输出波形图

2）调整至30%，查看波形图

图3-18 30%占空比输出波形图

3）在回调至50%，查看波形图

图3-19 50%占空比输出波形图

第四章设计总结

4.1个人总结

根据上面的分析，从最基本的第一步开始到最后，其实不难看出设计的全部过程，看起来并不是那么难，但主要是在思路上有所突破也就能达到设计要求，即使他是一个很简单的电路图，也是一次动手能力的一种体现。

在过去的工作中虽然也积累了一定的经验，取得了点滴的成绩，但是现在回顾起来，清醒地看到自身存在着一些值得重视的缺点和不足。因此自己认识到必须把学习作为第一位的任务，并且坚持不懈、持之以恒，注意解决好自己可能的问题。随着社会的不断进步与发展，人类的整体素质在不断的提高，为了工作的需要，也为了提高自身的修养，所以这也是我最为我的准则的根据。

这次动手实际上花费了我整整一天的时间去搞，但主要是拿去想如何做？怎么下手？但是一旦想出来了之后，也发现最简单的电路也能完成看似相当复杂的问题，也懂的了认识问题的根本需要从最简单的开始起步，这样即能使得电路足够的简单，也能让成本尽可能下降。

4.2问题与改进

在设计中遇到的一些问题，有些只是经过简单直觉的分析，但是在面对这些直接分析也只是粗糙的，所以还需要采用更加精确的分析方法，就像那个输入脉冲信号所得到的1K-100K这里原本是公式算出来的结果可却到了实际却不一定合适，所以需要采用Multisim软件中的频率分析仪进行测试频率从而达到精确的频率输出。

参考文献

[1]CSDN作者weixin_33743661：按键的硬件消抖小结 发布于2014-08-08

[2]CSDN作者桂林电子科技大学：基于NE555的方波信号发生器 发布于2021-03-13

[3]百度文库作者温春辉：占空比测试 发布于2017-8-17

附录

1）附录I

图I-1 脉宽控制键电路图

2）附录II

图II-1可编程数控加/减电路

图II-2模100计数器电路

图II-3占空比显示电路

图II-4八位BCD码比较器电路

3）附录III

图III-1 电路脉宽控制键位测试图

图III-2 可编程数控电路测试开始图

图III-3脉宽控制键、占空比显示与可编程数控整体电路图

附录III-4 改进后电路图

附录III-5 改进后电路图

4）附录V

图V-1总电路图

图V-2总电路中的子模块作业2图