数字频率计的设计与制作

数字频率计的设计（解析）在电子产品制作与调试过程中，经常需要对信号的频率进行测量，频率计就是用来测量各种信号频率的一种装置，一般要求它能直接测量方波、三角波、正弦波等各种周期信号的频率。

通过此制作项目可以进一步掌握电子产品的设计与制作方法，加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，掌握数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。数字频率计的设计1设计指标

设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：①频率测量范围：1Hz～99.99kHz②输入电压幅度>20mV③输入信号波形：方波、三角波、正弦波、锯齿波④显示位数：4位⑤量程：分为两档×1、×10⑥电源：220V、50Hz2数字频率计的组成频率，就是周期信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率fx可表示为：fx=N/T如果我们在1秒钟内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计的原理框图如图所示，它由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、译码显示电路、时基电路和逻辑控制电路几部分组成。主要波形3数字频率计单元电路设计与仿真

1．放大、整形电路设计与仿真

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。设计中采用运放构成过零比较器来实现，这时只要待测信号电压达到20mV（由运放参数决定）以上，即可将输入方波、三角波、正弦波或锯齿波整形成能被计数器识别的矩形脉冲信号。电路如图所示。

运放构成的过零比较器在数字频率计中，我们设计了×10挡对输入信号进行10分频，可实现10倍扩展。当数字频率计打到×10档时，此时被测信号的实际频率是显示值乘以10。×10挡电路由LM833构成的电压跟随器和十进制计数器74LS160组成，如图所示。

×10挡电路2．时基和控制电路设计与仿真

（1）时基电路

数字频率计中，由于要对被测信号在单位时间内不断地进行采样，所以就需要有能不断地产生持续时间为1s的标准时间信号，产生这种信号的电路就是时基电路。设计中使用的时基电路如下图所示。图中晶振的频率是32768Hz，两个电容C1、C2是频率校正电容，可采用半微调电容。由于CD4060最大只能实现214=16384级分频，且晶振频率为32768Hz，则由CD4060的13脚输出的脉冲的频率是32768Hz÷16384=2Hz，而我们需要正负脉冲持续时间均为1s的0.5Hz脉冲，因此还需要一个芯片实现4分频。时基电路

4分频电路（2）控制电路控制电路的作用是：产生一锁存保持信号，使1s内的计数结果（被测信号频率）显示一段时间，以便观察者看清并记录下来，接下来输出一清零脉冲，使计数器的原记录数据被清零，准备下次计数。控制电路产生的锁存信号应在1s计数结束后，即0.5Hz正半周结束后下降沿产生。清零信号应在锁存信号产生后产生。具体的设计的电路如图所示。

3．计数、译码、显示电路设计与仿真（1）计数电路计数电路是对经过整形的脉冲信号进行计数，并将计数结果送到译码电路。将4个74LS160连接起来实现多进制计数的电路如右图所示。

（2）译码显示电路译码电路是把计数器输出的BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管显示的段信号，以获得数字显示。在设计中，我们将10进制计数器74LS160的输出端Q0Q1Q2Q3 分别接到CD4511的ABCD输入端，将、端接高电平，LE端接74LS123的13脚输出的锁存信号。具体电路如图所示。图是CD4511和74LS160配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一块CD4511和LED数码管即可。8.2数字频率计的PCB设计与制作1．原理图（a）电源滤波电路

（b）放大、整形、10分频电路（c）时基和控制电路

方案二从原理图可知，被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。1.放大整形电路放大整形电路可以采用晶体管3DGl00和74LS00，其中3DGl00组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。2.时基电路时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。（1）555多谐振荡电路产生时基脉冲采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图4-2-7所示。电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。(2)分频电路由于本方案中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。3.逻辑控制电路在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。触发脉冲从B端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲,Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。4.锁存器锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计