楊豐亮

（1.閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建漳州363000；2.電子信息工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，福建漳州363000）

國(guó)際工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證體系強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1-5]，電子技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐是非常有效的培養(yǎng)方式.電子電路設(shè)計(jì)是電子、電氣、通信等專(zhuān)業(yè)重要的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)踐內(nèi)容豐富.經(jīng)歷了查閱資料、方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、指標(biāo)測(cè)試、撰寫(xiě)報(bào)告、交流答辯的整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)后，學(xué)生鞏固和加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，初步掌握了電路設(shè)計(jì)方法、體驗(yàn)了電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目的工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提高了專(zhuān)業(yè)興趣和創(chuàng)新能力，為以后從事電子設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)奠定了基礎(chǔ).

近年來(lái)，應(yīng)用現(xiàn)代輔助工程設(shè)計(jì)工具，如Proteus、Multisim 等EDA 軟件，結(jié)合電子技術(shù)、單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可有效降低設(shè)計(jì)難度、提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)工作量、減少元器件損耗，是電子、電氣等相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的主流[6-10].

脈沖占空比是脈沖電路的重要參數(shù)，快速準(zhǔn)確地測(cè)得脈沖占空比是電子測(cè)量中一項(xiàng)重要的工作，也是電子技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要選題.本文基于Proteus仿真平臺(tái)，以脈沖占空比測(cè)量及顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐案例，在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下探索電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)改革.

1 Proteus仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

仿真軟件Proteus 是業(yè)內(nèi)最完善、最優(yōu)秀的EDA 工具軟件之一.其性能卓越、功能強(qiáng)大，集原理圖設(shè)計(jì)、仿真及印刷電路板設(shè)計(jì)等多項(xiàng)功能于一身，不僅能對(duì)模擬電路、數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，還能對(duì)各種嵌入式處理器如51單片機(jī)、AVR單片機(jī)、ARM、DSP等進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，成為了電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)不可或缺的基本工具.Proteus軟件能夠提高電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率、降低開(kāi)發(fā)成本，有友好的交互式工作介面、豐富的虛擬儀器和逼真的運(yùn)行效果，因而在產(chǎn)品研發(fā)、工程教育等方面被廣泛應(yīng)用.

以項(xiàng)目為導(dǎo)向，將Proteus仿真應(yīng)用到數(shù)字電路設(shè)計(jì)中非常必要，以下3點(diǎn)特別突出.

1）提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間.傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)方式，直接采用實(shí)物方式構(gòu)建電路，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，電路布線(xiàn)繁復(fù)、工作量大，容易出錯(cuò)，學(xué)生很難在有限的教學(xué)時(shí)間里完成設(shè)計(jì)任務(wù).Proteus仿真軟件功能非常強(qiáng)大，可以快速繪制電路原理圖、選擇元器件參數(shù)，使用豐富的虛擬儀器、探針對(duì)電路進(jìn)行功能測(cè)試，修改電路或調(diào)整參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo).完成電路的理論設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證后，再做實(shí)物電路驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，極大提升設(shè)計(jì)效率.

2）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、器材、設(shè)備等資源得到有效充分利用.借助Proteus軟件平臺(tái)，電路的理論設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證可以在實(shí)驗(yàn)室之外的任何學(xué)習(xí)場(chǎng)所完成，通過(guò)仿真得到虛擬驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方案才到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)證，極大地提高實(shí)證工作效率，減少器件損耗，提高設(shè)備、場(chǎng)所使用率.

3）可有效地提升學(xué)生的自信心和工程創(chuàng)新能力.Proteus仿真軟件的應(yīng)用，提高了電路設(shè)計(jì)的效率和成功率，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的熱情和自覺(jué)性.完成預(yù)定的電路設(shè)計(jì)任務(wù)后，優(yōu)秀的學(xué)生可繼續(xù)在仿真平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的比較研究，增加電子電路設(shè)計(jì)的趣味性，利于培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和工程創(chuàng)新能力.

2 基于Proteus仿真的數(shù)字電路設(shè)計(jì)案例——脈沖占空比測(cè)量

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

采用通用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的脈沖占空比測(cè)量顯示電路，具體要求如下：

1）被測(cè)信號(hào)為矩形脈沖，脈沖電壓幅值：3～5 V，頻率范圍：10～5 000 Hz，占空比范圍：1%～99%.

2）占空比測(cè)量電路的量程為1%～99%，顯示分辨率1%，測(cè)量絕對(duì)誤差不大于1%.

3）測(cè)量值用數(shù)碼管顯示，顯示更新率合適，不能出現(xiàn)數(shù)碼快速跳動(dòng)，影響讀數(shù).

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

文獻(xiàn)[11]針對(duì)PWM電路調(diào)節(jié)輸出電壓占空比的脈沖電源設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的占空比測(cè)量電路，脈沖占空比測(cè)量值由外置數(shù)字電壓表顯示.文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種利用可調(diào)頻率振蕩電路校準(zhǔn)，基于電子計(jì)數(shù)的數(shù)顯脈沖信號(hào)占空比的測(cè)量電路，適用于測(cè)量精度不高的場(chǎng)合.文獻(xiàn)[13-14]分別以單片機(jī)和DSP 芯片為核心，使用高速A/D 轉(zhuǎn)換器將預(yù)處理后的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由算法求出信號(hào)頻率和占空比，該方法對(duì)單片機(jī)（或DSP）和轉(zhuǎn)換器性能要求較高，且要軟硬件配合，成本較高.文獻(xiàn)[15]運(yùn)用FPGA 的鎖相環(huán)倍頻功能，將信號(hào)頻率提升至很高的倍率，從而達(dá)到能夠精確測(cè)量脈沖信號(hào)參數(shù)的目的.文獻(xiàn)[13-15]的占空比測(cè)量方法超出了數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)范圍，不適合作為數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課題.本設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)，應(yīng)用通用CMOS 鎖相環(huán)集成芯片74HCT4046，用少量的數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)占空比的測(cè)量與數(shù)字顯示，精度較高且成本較低，適合低頻脈沖信號(hào)的測(cè)量，是綜合性能較高的實(shí)現(xiàn)方案，適合作為數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)課題.

本案例是在仿真軟件Proteus的平臺(tái)上，采用鎖相和倍頻相結(jié)合的技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字集成電路，設(shè)計(jì)出的脈沖占空比測(cè)量電路，仿真結(jié)果如圖1所示，電路工作原理如下.

2.2.2 設(shè)計(jì)思路

脈沖占空比D定義為脈沖寬度τ與脈沖周期T的百分比，即D/%=τ/T.如圖2所示，若在輸入信號(hào)的一個(gè)周期T內(nèi)把信號(hào)進(jìn)行N等分（N倍頻），即T=NT1，脈沖寬度τ=nT1， 則占空比可表示為當(dāng)N= 100 時(shí)(即輸入信號(hào)100倍頻)，待測(cè)脈沖信號(hào)的占空比即為n%.

圖2 脈沖占空比測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of pulse duty cycle

2.2.3 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖3所示，電路由鎖相環(huán)、100 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器、定時(shí)觸發(fā)電路、鎖存器、譯碼驅(qū)動(dòng)和數(shù)碼顯示等電路組成.

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖Fig.3 Schematic diagram of system composition

鎖相環(huán)和100分頻器組成鎖相倍頻電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的100倍頻.在待測(cè)信號(hào)的低電平期間，脈沖計(jì)數(shù)器復(fù)位；在待測(cè)信號(hào)的高電平期間，脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)100倍頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；在待測(cè)信號(hào)下降沿時(shí)，定時(shí)觸發(fā)電路輸出鎖存脈沖，脈沖上升沿時(shí)將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值鎖存，再經(jīng)譯碼驅(qū)動(dòng)將該鎖存值由數(shù)碼管顯示.

2.3 模塊電路基本原理

脈沖占空比測(cè)量電路由四個(gè)功能模塊構(gòu)成，運(yùn)用模塊式設(shè)計(jì)，便于仿真與功能測(cè)試.

2.3.1 鎖相倍頻電路

能夠?qū)蓚€(gè)電信號(hào)進(jìn)行相位同步的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱(chēng)為鎖相環(huán).鎖相倍頻電路原理如圖4所示，當(dāng)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位鎖定時(shí)，在某一頻率范圍內(nèi)壓控振蕩器輸出信號(hào)的100分頻信號(hào)會(huì)鎖定輸入信號(hào)頻率，并自動(dòng)跟隨輸入信號(hào)的變化，因此壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率就是輸入信號(hào)的100 倍頻，且跟隨輸入頻率變化，二者嚴(yán)格保持一致.

圖4 鎖相倍頻電路原理圖Fig.4 Principle of phase-locked frequency circuit

74HCT4046是通用CMOS鎖相環(huán)集成電路，與74LS系列電平兼容，74HCT4046構(gòu)成的鎖相倍頻電路如圖5所示，4腳輸出為100倍頻信號(hào).

74LS90是二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于構(gòu)成100分頻電路.使能端功能如下：

1）當(dāng)R0(1)=R0(2)= 1，R9(1)或R9(2)= 0時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，電路狀態(tài)與CK無(wú)關(guān).

2）當(dāng)R9(1)=R9(2)= 1時(shí)，計(jì)數(shù)器置9.

3）當(dāng)R0(1)或R0(2)= 0時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，CK下降沿有效.

由74LS90 構(gòu)成的100 分頻電路如圖5左部分電路所示，IC1與IC2級(jí)聯(lián)，IC1的Q3 輸出信號(hào)構(gòu)成IC2的CKA 輸入信號(hào).74LS90 的Q0 為CKA 輸入信號(hào)的二分頻，Q3 為CKB 的5 分頻，如圖把Q0 與CKB 連結(jié)，即IC1的Q3 輸出信號(hào)為本級(jí)CKA 輸入信號(hào)的10 分頻.同理，IC2的Q3 輸出信號(hào)為本級(jí)CKA 輸入信號(hào)的10分頻，故IC2的Q3輸出信號(hào)為IC1的CKA輸入信號(hào)的100分頻.

圖5 74LS90構(gòu)成的100分頻電路與74HCT4046構(gòu)成的鎖相倍頻電路Fig.5 100 Frequency divider circuit and phase-locked frequency doubling circuit

2.3.2 脈沖計(jì)數(shù)電路

脈沖計(jì)數(shù)電路由兩片74LS90 級(jí)聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)BCD 碼格式的一百進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，輸出為BCD 碼00～99.電路如圖6所示.

圖6 74LS90構(gòu)成100進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路Fig.6 100 decimal counter circuit(constituted by 74LS90)

計(jì)數(shù)器在輸入信號(hào)vin(t)上升沿到來(lái)時(shí)，開(kāi)始對(duì)鎖相倍頻輸出的100 倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù).當(dāng)輸入信號(hào)vin(t)的下降沿到來(lái)時(shí)停止計(jì)數(shù).由于74LS90 芯片在R0(1)、R0(2)均為低電平時(shí)計(jì)數(shù)，R0(1)、R0(2)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)清零.因此，將輸入信號(hào)vin(t)經(jīng)反相后作為兩片74LS90的R0(1)、R0(2)控制信號(hào).

2.3.3 定時(shí)觸發(fā)、鎖存電路

定時(shí)觸發(fā)、鎖存電路如圖7所示.由555時(shí)基芯片組成單穩(wěn)態(tài)電路，無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí)工作在穩(wěn)態(tài)，輸出低電平，電容C5放電.當(dāng)vin(t)下降沿時(shí)，電路被觸發(fā)，跳轉(zhuǎn)至?xí)悍€(wěn)態(tài)，輸出高電平，電容C5充電，當(dāng)其電壓升至2VCC/3時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，回到穩(wěn)態(tài)，直至vin(t)下一個(gè)下降沿.555時(shí)基芯片的輸出Q連接74LS273鎖存器CLK端，當(dāng)vin(t)下降沿（鎖存器CLK上升沿）時(shí)，鎖存器鎖存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并送譯碼顯示.為保證數(shù)碼管顯示的數(shù)值不出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，數(shù)碼顯示刷新時(shí)間可大約設(shè)為1 s，而555 時(shí)基芯片的暫態(tài)時(shí)間為T(mén)P=(ln 3)R21C5≈1.1R21C5，所以取R21= 1 MΩ，C5= 1 μF.定時(shí)觸發(fā)、鎖存工作波形如圖8所示.

圖7 定時(shí)觸發(fā)、鎖存電路Fig.7 Timing triggering and latching circuit

圖8 555單穩(wěn)態(tài)電路工作波形Fig.8 Working waveform of 555 timer monostable circuit

2.3.4 譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路

譯碼、驅(qū)動(dòng)顯示電路如圖9所示，譯碼器可以選用74LS248 或CD4511.譯碼器將輸入信號(hào)vin(t)下降沿鎖存的脈沖計(jì)數(shù)值譯碼后由數(shù)碼管顯示，該顯示值即為輸入信號(hào)vin(t)的占空比.

2.4 脈沖占空比測(cè)量的Proteus仿真示例

脈沖占空比測(cè)量的設(shè)計(jì)電路及仿真結(jié)果如圖1所示，輸入信號(hào)的參數(shù)設(shè)置如圖10所示.設(shè)定輸入信號(hào)頻率為1 K、占空比為37%的脈沖信號(hào)vin()t進(jìn)行檢驗(yàn)，仿真結(jié)果準(zhǔn)確.如圖10改變輸入脈沖頻率和占空比參數(shù)，測(cè)試的結(jié)果為：脈沖占空比的測(cè)量設(shè)計(jì)電路對(duì)頻率范圍為10～6 300 Hz 的脈沖信號(hào)測(cè)量的絕對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)，且占空比的測(cè)量量程符合1%～99%的要求.

圖9 譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示電路Fig.9 Decoding，driving and displaying circuits

圖10 脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置Fig.10 Pulse signal parameter setting

2.5 設(shè)計(jì)方案的實(shí)物電路驗(yàn)證

圖1所示電路為Proteus仿真成功的脈沖信號(hào)占空比測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案，以該原理圖制作實(shí)物電路如圖11所示，實(shí)際測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期要求，設(shè)計(jì)方案得到實(shí)證.

圖11 脈沖占空比測(cè)量電路Fig.11 Pulse duty cycle measurement circuit

3 總結(jié)

國(guó)際工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證體系要求提高學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)能力，因此，電子、電氣等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生必須加強(qiáng)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐.本脈沖占空比測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案契合數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)踐特點(diǎn)，各個(gè)功能模塊原理清晰，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了Proteus仿真技術(shù)，取得了優(yōu)秀的設(shè)計(jì)實(shí)踐成果.學(xué)生應(yīng)用仿真軟件在電子電路設(shè)計(jì)上不斷地成功實(shí)踐，綜合設(shè)計(jì)能力顯著提高，這是在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下教學(xué)改革的良好實(shí)踐.Proteus軟件在設(shè)計(jì)實(shí)踐中有非常優(yōu)秀的表現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)上也是強(qiáng)有力的仿真輔助工具，掌握了仿真軟件，對(duì)學(xué)生今后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)都有很大的助益.