简易数字频率计电路设计
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摘要
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关键字：周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
本章要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示。数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、数码管、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。
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目 录
前 言 ................................................................................... 1 1.数字频率计的原理 ....................................................................... 2 2.系统框图 ............................................................................... 3 3.系统各功能单元电路设计 ................................................................. 3
3.1 时基电路设计 .................................................................. 3 3.2 放大整形电路 ................................................................. 4 3.3 逻辑控制电路 .................................................................. 5 3.4 锁存单元 ........................................................................ 6 3.5 分频电路 ....................................................................... 7 3.6 显示器 ......................................................................... 7 3.7 报警电路 ........................................................................ 8 4.系统总电路图 .......................................................................... 10
结束语 .......................................................................... 11 参考文献 ........................................................................ 12
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前 言
数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。
频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。
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1.数字频率计的原理
所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (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，则其频率可表示为 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成，
Ⅱ Ⅳ 整形放大电路闸门Ⅲ Ⅰ 计数器锁存器译码器显示器 Ⅴ
时 基 电 路 逻 辑 控 制 电 路 Ⅰ Ⅱ T Ⅲ N Ⅳ Ⅴ 锁存信号 清零信号 图1 总体结构图 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。
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2.系统框图
图2 系统框图
3.系统各功能单元电路设计
3.1 时基电路设计
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路
RD1 是置零输入端。只要在 RD1 端加上低电平，输出端Uo便被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作必须使 RD1 处于高电平。当U11 >UR1 .U12 >UR2 时，比较器C1 的输出U1 =0，比较器C2的输出UC2 =1，SR锁存器被置0，TD 导通，同时U0 为低电平。当U11 标准文档 实用文案 本设计时基电路采用的是555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号的电路如图所示。 R100.1KR80.086KC45610uFC5273555184 图3时基电路 电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C) 根据计算公式f=1.43/((R8+2R10)*C)，取C=1uF.已知f=1000HZ算得R8=0.86K R10=1K 3.2 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。 U1AR310KVccR210KQ1C1Vi47uFD1810R140KR410K9U1C5V1326U1A54U1B32 图4 放大整形电路图 计算过程：Vce=0.5Vcc，已知Vcc=0.5V，得Vce=0.25V Vce=Vcc-IcRe,IcQ=0.5A, IBQ=（Vcc-VBEQ）/Rb=0.025A 放大倍数= IcQ/IBQ =200 把信号Vi加到整形放大电路的输入端时，得到该级的输入电压U01 =AU1 （UP -UN ），其中AU1 是输入级的电压增益。U01 传送到中间级进行电压放大，从而在该级的输出端产生U02 = AU1 AU2 （UP -UN ）. 输出级输出电压。 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输入电压波形的边沿变得很陡。利用施密特触发器的回差特性将它整形成规则的 标准文档 实用文案 矩形波。若负向阀值取为，则回差电压。整形后输出波形如图5所示。由于输入信号的干扰，则回差电压 。此时整形后输出波 在输出中表现为2个矩形脉冲。若减小负向阀值取为 形如图5所示，消去了干扰。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，出现输出电压变化滞后现象。①当Vi=0V时，即Vi1<2/3Vcc、Vi2<1/3Vcc,此时Vo=1。以后Vi逐渐上升,只要不高于阀值电压(2/3Vcc),输出Vo维持1不变。②当Vi上升至高于阀值电压（2/3Vcc）时，则Vi1>2/3Vcc、Vi2>1/3Vcc，此时定时器状态翻转为0，输出Vo=0，此后Vi继续上升，然后下降，只要不低于触发电位（1/3Vcc），输出维持0不变。③当Vi继续下降，一旦低于触发电位（1/3Vcc）后，Vi1<2/3Vcc、Vi2<1/3Vcc，定时器状态翻转为1，输出Vo=1。 因为所选元器件的工作触发均由高低电平来实现，因此计频时需要对不同的波形来进行整形。该部分主要由一个555芯片来实现，在时基电路产生的脉冲信号输入到放大整形电路，产生的波形如图4，完成由正弦波和三角波到方波的整形，为了便于观察和调试，在本电路中引进了一个示波器来进行观察。实验中截图如下： 图5 整形波形 3.3 逻辑控制电路 在时基信号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。脉冲信号和清零信号两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。 由74LS123的功能表可得当R=B=1的情况下，触发脉冲从A端输入，在触发脉冲的负跳变作用下输出端Q非可落得一正脉冲。前面时基电路产生的脉冲信号从B端输入在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q 标准文档 实用文案 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。电路中的脉冲经由闸门进入下个单元工作。手动复位开关S按下时，计数器清“ 0 ”。 5VR910kR1010k13456213456213274LS123C3CRAB+5VQQ74LS124C6CRABQQR1110k 图6 逻辑控制电路 3.4 锁存单元 锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，具有记忆功能。它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。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，将此时计数器的值送译码显示器。 当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。将计数器所得到的输出值输入到锁存器中，锁存器具有记忆功能，可以保持计数器得到的脉冲个数。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn 不变．所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器 。 从计数器输入的脉冲个数保存在锁存器中，即当RD =1，LD=0时，电路工作在同步置数状态。RD =LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态，从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲，电路将从1111状态返回0000状态，C端从高电平跳变到低电平，进位。 锁存器上面的街头连接的是译码器，下面的接头接的是计数器，详情见总电路图 123456781234567891Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1QCPU174LS1609CPU274LS1601D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D1D 12345678 图7 锁存器单元 标准文档 12345678实用文案 3.5 分频电路 分频电路的作用：1、合理地分割各单元的工作频段；2、合理地进行各单元功率分配；3、使各单元之间具有恰当的相位关系以减少各单元在工作中出现的声干涉失真；4、利用分频电路的特性以弥补单元在某频段里的声缺陷5、将各频段圆滑平顺地对接起来。 假如计数器输入的频率fo则Qo,Q1,Q2,Q3端输出脉冲的频率依次为1/2fo 1/4fo 1/8fo 1/16fo 本设计分频电路采用的是10分频，即1/10。由于分频器的4位输出对应16种状态，每种状态是依次先后输出的，即不同状态对应不同的时间位置，而串并变换器输出两种状态，且串并变换器输出的4种状态与分频器的12种状态中的两种状态相同. 由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间（频率分别为1HZ，10HZ，100HZ，1000HZ），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74LS160分别经过一级、二级、三级10分频得到。 1.555振荡器产生的脉冲信号经由整形放大电路输入到74LS160（U4）到74LS160（U3）得到10ms的闸门时间. 2.再由74LS160（U3）到74LS160（U2）得到0.1s的闸门时间. 3.最后由74LS160（U2）到74LS160（U1）得到1s的闸门时间. 计数器上面的接线连接的是锁存器，详见总电路图 15141312111514131211151413121115U3Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4COCOCO74LS16074LS160LCDLKCLRLCDLKCLRLCDLKCLRLCDLKCLR74LS160CO74LS160PETEP1P2P3P4PETEP1P2P3P4PETEP1P2P3P49217103456921710345692171034569217103456PETEP1P2P3P4Q1Q2Q3Q4U1U214131211U40.1K 图8 分频电路 3.6 显示器 该部分电路是由74LS138译码器和数码管组成的。用来显示所测频率，信号通过译码器输入到数码管，然后显示。74138是一种3线—8线译码器 ，三个输入端CBA共有8种状态组合（000—111），可译出8个输出信号Y0—Y7。 这种译码器设有三个使能输入端，当G2A与G2B均为0，且G1为1时，译码器处于工作状态，输出低电平。当译码器被禁止时，输出高电平。74138的输出是低电平有效，故实现逻辑功能时，输出端不可接 标准文档 实用文案 或门及或非门，使能端G1为高电平有效，/G2,/G3为低电平有效，当其中一个为低电平，输出端全部为1。 当D=0时，第一片74138工作，对0000—0111的输入信号进行译码输出。当D=1时，第二片74138工作，对1000—1111的输入信号进行译码输出。只有先给位选段一个低电平（共阴级），才能给段选段（阳极）赋不同的码（高电平有效），然后在数码管上显示不同的数字。 数码管下面的接线头接译码器 VCC9DS1DS2DS3DS4abacdfgbeecfddpgpdabacdfgbeecfddpgpdabacfbdgeecfddpgpd999123456781234567812345678151413121110151413121110151413121110151413121110U3979797Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7GG12AG2BGG12AG2BGG12AG2B123645123645123645123645GG12AG2B74LS13874LS13874LS138ABCABCABCABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774LS138U1U297U412345678abacdfgbeecfddpgpdVCCVCCVCC 图9 显示器 3.7 报警电路 报警电路要求要用4位数字显示，最高显示为9999。超过9999就要求报警，即当千位达到9（即1001）时，如果百位上再来一个时钟脉冲（即进位脉冲），就可以利用此来控制蜂鸣器报警。 本设计采用555报警系统， 555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，VC 按指数规律增长。当VC充电到1/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备，当脉冲个数超过9999时，蜂鸣器报警。 QDQA进位脉冲&200HZ 标准文档 R10实用文案 5VR910kR80.086KC45384C3Vcc标准文档6510uF525LS2R2C571K10K0110K 图10 报警电路 10uFC4标准文档 R80.086KC59ViC147uFVCCDS1R100.1K72564.系统总电路图 R140KR210K174LS1383555849921710COG1AG2G2B97U1LCDLKCLR15123ABCabacfbdgeecfddpgpdR3151413121110123456789Q174LS16010K10KR210KCPVcc3456U1Vcc5VPETEP1P2P3P4Q1Q2Q3Q464514131211Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y710KLS2R910kC3R4VCCDS2Vcc74LS123COU174LS16092171015645G1AG2G2B74LS160LCDLKCLR74LS13812345678123ABC151413121110Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7U21Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1D1D1D1D1D1D1D1D1234567897123456785V5643+5VRQQCABabacfbdgeecfddpgpd 图11 总电路图 3456U2PETEP1P2P3P4Q1Q2Q3Q41413121112实用文案 R1010k219U1AVCCDS374LS123CO155643C6LCDLKCLRD1RCAB74LS160QQ9217103456U31239ABC645CPPETEP1P2P3P4Q1Q2Q3Q414131211G1AG2G2B74LS138312Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7U31514131211109712345678abacfbdgeecfddpgpd9865132R11VCCDS49U1C10kU1B12345678LCDLKCLR1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1Q1D1D1D1D1D1D1D1DU274LS16012345678123ABC412VccCO1564574LS160G1AG2G2B921710345674LS13810Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7U41514131211109712345678abacfbdgeecfddpgpd11U1D3213PETEP1P2P3P4Q1Q2Q3Q4U414131211U1A 实用文案 结束语 通过这次对简易数字频率计电路的设计，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于频率计的原理与设计理念，学会了快速查找有用资料的方法。本次设计使我体会全方位的了解问题，思考问题，理解问题，解决问题。 加一个总开关 标准文档 实用文案 参考文献 1. 阎石，数字电子技术基础，清华大学电子学教研组。 2008.05 2. 数字电子技术使用指导书，浙江海洋学院机电工程学院。2009.05 3. 张林，陈大钦，康华光，模拟电子技术基础，华中科技大学电子技术课程组。2006.05 4. 曾兴雯，刘乃安，陈健，高频电子线路。2006.05 标准文档 实用文案 标准文档 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容