这台多用数字测量仪采用CMOS电路设计,将原有的光电转换型计时仪器的功能扩展到计数、计频。另外,它还可以接收TTL电平信号。
1 技术指标
量程: 计时 0·1ms—99·99s
计数 1—9999
计频 <10kHz(方式2时,<20kHz)
灵敏度:光电转换(启动)<200Lx
电平 TTL电平
电源: 220VAC 功耗<3W
2 电路组成
电路由100kHz晶振与反相器构成的振荡器提供基准信号,经若干十进制计数器4518进行十分频获得各种时基信号。以一片三位十进制计数器4553及半片4518构成四位计数器,其中4553以扫描方式输出BCD码,经4511译码驱动数码管。辅助电路包括以4013构成的二分频电路,以反相器与RC电路构成的微分电路,555单稳电路,以C8及R10构成的上电复位电路。图中S2-1、2、3、4为4刀2位拨动开关,作为计频或计时计数的功能转换开关。
3 电路工作原理
仪器具有计时、计数、计频三种功能,可用功能选择开关加以选择。另外,仪器还有方式开关,用来选择处理信号的方式。方式1将输入信号直接送后级电路,方式2则将输入信号二分频后再送后级电路。下面对各功能分别加以介绍:
3·1 计时
在计时状态,并且方式开关置于方式1时,仪器用来测量输入单脉冲信号的脉冲宽度。此时,电路将基准信号与输入信号同时送入与门相与。在输入信号高电平期间,基准信号可以通过与门;而在输入信号低电平期间,基准信号不能通过与门。因此,和与门相连的计数器所计的是单脉冲信号里叠加的基准信号的个数n,而基准信号的周期为T(仪器内部晶体振荡器提供了三种基准信号,可用开关选择,其周期T分别为0·1ms,1ms,10ms),故单脉冲信号的脉冲宽度为nT。
计数器的计数值经译码后送数码管显示输出。仪器的复位方式有两种,一种为自动复位方式,一种为手动复位方式。若选择自动复位方式,则输入信号除了送入与门外,还送入一微分电路;输入信号的下降沿会使其产生一极窄的微分脉冲。该脉冲启动一单稳态电路产生一单稳脉冲,单稳脉冲持续时间由面板上的电位器调节。单稳脉冲的下降沿又使其后接的另一个微分电路产生一微分脉冲,此微分脉冲作为清零脉冲送入计数器的清零端。因此,数据稳定显示时间从输入信号的下降沿开始,到单稳脉冲结束为止;延时时间可调的单稳脉冲持续时间就是数据显示时间。若选择手动复位,则复位信号由复位方式提供,按下复位按钮,则将计数器的清零端接地使计数器复位。
方式1 一般用在测量速度和加速度的实验中,或在电子实验中测量脉冲宽度。在测重力加速度的实验中,需测量小球下落过程中先后经过两个光电门产生的两个脉冲起始时间的间隔。这时需用方式2将两个单脉冲信号变成一个方波,此方波的上升沿对应第一个单脉冲信号的上升沿,此方波的下降沿对应第二个单脉冲信号的上升沿。然后,就可以用和方式1一样的方法测出此方波的脉冲宽度,即,两个脉冲起始时间的间隔。
3·2 计数
在计数状态时,仪器用来测量输入信号中的脉冲个数。此时,电路将输入信号与高电平“1”同时送入与门。高电平“1”始终将与门打开让计数器直接计量输入脉冲的个数,并送后级译码显示。计数状态时只能使用手动复动方式,并且一般只使用方式1;若使用方式2,则每两个脉冲计数1次。
3·3 计频
在计频状态时,仪器用来测量输入信号的频率。此时,与输入信号同时送入与门的是脉宽、脉间均为1s的周期性方波。此方波控制与门的开关。另外,此方波还送入微分电路。方波的上升沿,即脉宽起始时刻,使微分电路产生一个微分脉冲送入计数器的清零端将计数器中原数据清零,为后面的计数作好准备。
在脉宽期间,与门打开,计数器计量1s内输入信号的脉冲个数,所计数值即为其频率值。在随后的脉间期间,与门关闭1s,计数值不再变化,此时数码管显示数值也稳定不变。在后面的周期中,电路始终按照清零—计数—译码显示的过程周而复始的进行测量。显示的频率值每2秒钟更新一次。计频状态时,若方式开关置于方式1,则显示的频率值为实际频率值;若方式开关置于方式2,则显示的频率值为实际频率值的二分之一。计频状态时,复位方式开关和复位按钮不起作用。
4 结束语
本仪器在我校几个实验中已投入实际使用,性能稳定,测量精确,效果较好。其测量值比原有仪器更接近理论值,误差更小。
参考文献
1·康华光.电子技术基础.高教出版社,1988年.
2·实用电子电路手册.高教出版社,1992年.
本文作者：梁 勇
