數字頻率計的設計與制作

數字頻率計的設計（解析）在電子產品制作與調試過程中，經常需要對信號的頻率進行測量，頻率計就是用來測量各種信號頻率的一種裝置，一般要求它能直接測量方波、三角波、正弦波等各種周期信號的頻率。

通過此制作項目可以進一步掌握電子產品的設計與制作方法，加深我們對數字電路應用技術方面的了解與認識，掌握數字電路系統(tǒng)設計、制作與調試的方法和步驟。數字頻率計的設計1設計指標

設計并制作出一種數字頻率計，其技術指標如下：①頻率測量范圍：1Hz～99.99kHz②輸入電壓幅度>20mV③輸入信號波形：方波、三角波、正弦波、鋸齒波④顯示位數：4位⑤量程：分為兩檔×1、×10⑥電源：220V、50Hz2數字頻率計的組成頻率，就是周期信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數為N，則其頻率fx可表示為：fx=N/T如果我們在1秒鐘內對信號波形計數，并將計數結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數字頻率計的原理框圖如圖所示，它由放大整形電路、閘門電路、計數器電路、譯碼顯示電路、時基電路和邏輯控制電路幾部分組成。主要波形3數字頻率計單元電路設計與仿真

1．放大、整形電路設計與仿真

為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數器有效識別的脈沖信號。設計中采用運放構成過零比較器來實現，這時只要待測信號電壓達到20mV（由運放參數決定）以上，即可將輸入方波、三角波、正弦波或鋸齒波整形成能被計數器識別的矩形脈沖信號。電路如圖所示。

運放構成的過零比較器在數字頻率計中，我們設計了×10擋對輸入信號進行10分頻，可實現10倍擴展。當數字頻率計打到×10檔時，此時被測信號的實際頻率是顯示值乘以10?！?0擋電路由LM833構成的電壓跟隨器和十進制計數器74LS160組成，如圖所示。

×10擋電路2．時基和控制電路設計與仿真

（1）時基電路

數字頻率計中，由于要對被測信號在單位時間內不斷地進行采樣，所以就需要有能不斷地產生持續(xù)時間為1s的標準時間信號，產生這種信號的電路就是時基電路。設計中使用的時基電路如下圖所示。圖中晶振的頻率是32768Hz，兩個電容C1、C2是頻率校正電容，可采用半微調電容。由于CD4060最大只能實現214=16384級分頻，且晶振頻率為32768Hz，則由CD4060的13腳輸出的脈沖的頻率是32768Hz÷16384=2Hz，而我們需要正負脈沖持續(xù)時間均為1s的0.5Hz脈沖，因此還需要一個芯片實現4分頻。時基電路

4分頻電路（2）控制電路控制電路的作用是：產生一鎖存保持信號，使1s內的計數結果（被測信號頻率）顯示一段時間，以便觀察者看清并記錄下來，接下來輸出一清零脈沖，使計數器的原記錄數據被清零，準備下次計數?？刂齐娐樊a生的鎖存信號應在1s計數結束后，即0.5Hz正半周結束后下降沿產生。清零信號應在鎖存信號產生后產生。具體的設計的電路如圖所示。

3．計數、譯碼、顯示電路設計與仿真（1）計數電路計數電路是對經過整形的脈沖信號進行計數，并將計數結果送到譯碼電路。將4個74LS160連接起來實現多進制計數的電路如右圖所示。

（2）譯碼顯示電路譯碼電路是把計數器輸出的BCD碼表示的10進制數轉換成能驅動數碼管顯示的段信號，以獲得數字顯示。在設計中，我們將10進制計數器74LS160的輸出端Q0Q1Q2Q3 分別接到CD4511的ABCD輸入端，將、端接高電平，LE端接74LS123的13腳輸出的鎖存信號。具體電路如圖所示。圖是CD4511和74LS160配合而成一位計數顯示電路，若要多位計數，只需將計數器級聯，每級輸出接一塊CD4511和LED數碼管即可。8.2數字頻率計的PCB設計與制作1．原理圖（a）電源濾波電路

（b）放大、整形、10分頻電路（c）時基和控制電路

方案二從原理圖可知，被測信號Vx經放大整形電路變成計數器所要求的脈沖信號Ⅰ，其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標準時間基準信號Ⅱ，具有固定寬度T的方波時基信號II作為閘門的一個輸入端，控制閘門的開放時間，被測信號I從閘門另一端輸入，被測信號頻率為fx,閘門寬度T，若在閘門時間內計數器計得的脈沖個數為N，則被測信號頻率fx=N/THz?？梢?，閘門時間T決定量程,通過閘門時基選擇開關選擇,選擇T大一些,測量準確度就高一些,T小一些,則測量準確度就低.根據被測頻率選擇閘門時間來控制量程.在整個電路中,時基電路是關鍵,閘門信號脈沖寬度是否精確直接決定了測量結果是否精確.邏輯控制電路的作用有兩個：一是產生鎖存脈沖Ⅳ，使顯示器上的數字穩(wěn)定；二是產生清“0”脈沖Ⅴ，使計數器每次測量從零開始計數。1.放大整形電路放大整形電路可以采用晶體管3DGl00和74LS00，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。2.時基電路時基電路的作用是產生標準的時間信號，可以由555組成的振蕩器產生，若時間精度要求較高時，可采用晶體振蕩器。由555定時器構成的時基電路包括脈沖產生電路和分頻電路兩部分。（1）555多諧振蕩電路產生時基脈沖采用555產生1000HZ振蕩脈沖的參考電路如圖4-2-7所示。電阻參數可以由振蕩頻率計算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。(2)分頻電路由于本方案中需要1s、0.1s、10ms、1ms四個閘門時間，555振蕩器產生1000HZ，周期為1ms的脈沖信號，需經分頻才能得到其他三個周期的閘門信號，可采用74LS90分別經過一級、二級、三級10分頻得到。3.邏輯控制電路在時基信號II結束時產生的負跳變用來產生鎖存信號Ⅳ，鎖存信號Ⅳ的負跳變又用來產生清“0”信號V。脈沖信號Ⅳ和V可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LSl23產生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數決定。觸發(fā)脈沖從B端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一正脈沖,Q非端可獲得一負脈沖，其波形關系正好滿足Ⅳ和V的要求。手動復位開關S按下時，計數器清“0”。4.鎖存器鎖存器的作用是將計數器在閘門時間結束時所計得的數進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數器的值．閘門時間結束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號Ⅳ，將此時計