熊雪蘭 安徽理工大學

1.緒論

數(shù)字頻率計是一種專門對被測信號進行頻率計數(shù)的電子測量儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其他周期性變化的的信號。測量頻率的方法有兩種：測頻法和測周法。

測頻法是將被測信號加到計數(shù)器進行計數(shù)，用時基信號來控制計數(shù)周期，假設(shè)標準信號周期為2T(半個周期計數(shù)，半個周期處理數(shù)據(jù))，計數(shù)器得到的計數(shù)值為N,則被測信號頻率為f=N/T，改變T,則可改變測量頻率的范圍。當T=1s時，計數(shù)器測得的數(shù)據(jù)N即為被測頻率。用該方法進行測量時，當被測頻率越大時，誤差越小，被測頻率越小時，誤差越大，為了減小這種誤差，我們可以通過增大T來實現(xiàn)，讓誤差控制在測量誤差范圍內(nèi)。

而測周法是用被測信號來控制計數(shù)周期，把標準信號加到計數(shù)器，這樣計數(shù)器得到的值就是被測信號的周期值，然后求其倒數(shù)，就得到所測頻率值。

本文講述了使用測頻法設(shè)計頻率計的原理以及各個組成部分的結(jié)構(gòu)與作用。

2.電路基本原理

脈沖信號的頻率就是在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T。

實驗使用石英晶振作為標準信號的產(chǎn)生源，產(chǎn)生精度極高的頻率，經(jīng)分頻后可獲得各種石基脈沖，在此次試驗主要產(chǎn)生周期分別為2s和20s的基準信號，用它們的半個周期計數(shù)，半個周期處理數(shù)據(jù)（當被測頻率較高時，開關(guān)打向2s的標準信號，當頻率較低時，開關(guān)打向20s的標準信號）。

輸入信號經(jīng)過整形放大變成矩形脈沖加到計數(shù)器的輸入端，將石基信號接計數(shù)器的鎖定允許端，在石基信號的一個周期內(nèi)，使得計數(shù)器在石基信號高電平計數(shù)，低電平時鎖存，停止計數(shù)，同時，利用基準信號產(chǎn)生的低電平有效的控制邏輯，通過一譯碼器輸出清零信號，完成對計數(shù)器的清零作用，為后續(xù)新的取樣做好準備，鎖住一次顯示的數(shù)據(jù)，保留到新的一次取樣為止。

數(shù)字頻率計是用于測量方波，正弦波或其他脈沖信號的頻率，并用十進制數(shù)字表示，它具有精度高，測量迅速，讀數(shù)方便等優(yōu)點。

3.各部分電路設(shè)計

3.1 時基電路

時基電路的作用是產(chǎn)生標準時間信號，該信號由頻率為32768HZ的晶振，經(jīng)過14位CD4060分頻成2HZ的信號輸出后，再通過74HC160和74HC161組合分頻，分別得到所要求的0.5HZ和0.05HZ的石基信號。

3.2 放大整形電路

為了測量不同類型和幅值的交流信號，要對被測信號進行放大整形處理，從而輸出能夠被計數(shù)器識別的方波信號，本設(shè)計采用由增益帶寬為15MHZ的運算放大器LM833構(gòu)成的過零比較器來實現(xiàn)，,被測信號3號腳輸入，1號腳輸出，整形成方波信號。再經(jīng)過穩(wěn)壓管1N4731A穩(wěn)壓成幅度為5V的信號。

3.3 控制電路

頻率計若想實現(xiàn)往復的計數(shù)功能，這就需要控制電路在恰當?shù)臅r間發(fā)出鎖存與清零信號，計數(shù)器的使能信號直接由標準時間信號來控制，而清零功能由2線-4線譯碼器74HC139來實現(xiàn)，使標準時間信號與芯片的選通輸入和地址輸入相接，則輸出端Y1非的信號便可以控制計數(shù)器的清零端。

3.4 計數(shù)與鎖存電路

計數(shù)與鎖存功能由CD4553來實現(xiàn)，CD4553是3位十進制計數(shù)器，但只有一個輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制3位十進制的輸出，從而實現(xiàn)掃描顯示方式。其中MR引腳接受清零信號（只清計數(shù)器部分），高電平有效，LE端為鎖定允許，當該端為低電平時, 3組計數(shù)器的內(nèi)容分別進入 3組鎖存器,當該端為高電平 時,鎖存器鎖定,計數(shù)器的值不能進入。

3.5 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路可由BCD七段譯碼/驅(qū)動器CD4543來實現(xiàn)，只要輸入BCD碼就可于多種不同的數(shù)碼管顯示0至9，如接共陽極LED，則Ph置“1”另Bl（Blanking）如果置“1”或輸入0至9以外的數(shù)值，顯示會空白（黑屏），LD（Latch Disable）置“0”會鎖存最近一次輸入的數(shù)字，本次設(shè)計采用共陽極接法。系統(tǒng)總電路圖如下所示(注：當測低頻信號時，需點亮次高位數(shù)碼管小數(shù)點，即合上與之連接的開關(guān))。

4.總結(jié)

通過這次對簡易數(shù)字頻率計電路的設(shè)計，讓我了解了電路設(shè)計的基本步驟，還有頻率計的原理與設(shè)計理念。像這種綜合性的設(shè)計需要理論與實踐的結(jié)合，讓我學會了快速查找有用資料的方法，也鍛煉了我的動手能力，這對于工科學生是很有幫助的。