频率计知识汇总

数字频率计

XYMBTC

频率计是一种对信号的频率进行测量的仪器，是一种典型的电子测量仪器。能对频率量进行测量的仪器有许多：如模拟频率表、示波器、数字频率计、微机化智能频率计等。本文将对数字频率计项目进行探讨并设计和制作。

一、频率信号测量的基础知识

实现对频率量测量的方法有许多种。如：频率/电压（F/V ）变换法或频率/电流（F/I ）变换法、直接测频法、测周期法、多周期同步（等精度）测量法等。

1、频率/电压（F/V ）变换法

这种方法是将频率量通过特定的电子电路实现对输出电压或输出电流进行控制，使输出电压或输出电流能按照输入的频率作某种规律的变化，以使得可以利用电磁式模拟表头指示其频率的大小。常用的这一类电子电路有VFC32、AD650和LM331等专用的集成电路。其原理框图如图1-1所示。

图1-1 频率/电压变换法或频率电流变换法测频率

2、直接测频法

这种方法的测量原理是：由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们可以在给定的单位时间1S 内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是被测信号的频率。各种中规模计数器集成电路就非常适合于这种场合的应用，如CD4518、CD4017等。其原理框图和时序图如图1-2所示。

（a ）

（b ）

图1-2 （a ） 直接测频法原理框图；（b ） 直接测频法时序图

3、测周期法

虽然直接测频法可以测出单位时间内脉冲的个数即频率，但是对于较低频率的信号其检测误差会大大增大，例如1.8Hz 的信号，在通过1秒的闸门时间内其0.8会被淹没，这是在高档频率计产品设计中所不允许的。解决这种现象的办法就是改直接测频法为测周期法。其指导思想是用被测信号的周期作为闸门，在该闸门时间内允许已知标准的短周期间隔的较高频率的信号通过，通过数字电路或微型计算机的运算，通过闸门的已知信号频率的个数越多，其被测频率就越低，其原理框图和时序图如图1-3所示。

电压或电流输出送显示

频率信号输入

1S 基准闸门信号 被测信号

1S 被测信号

实际检出信号

（a ）

（b ）

图1-3 （a ） 测周期法原理框图；（b ） 测周期法时序图

由此可见，为了获得较高的测量精度，在高频段，宜采用直接测频法；在低频段，宜采用测周期法。

4、多周期同步等精度测量法

由上面的分析我们知道，无论是直接测频法还是测周期法，都无法保证闸门信号和另一信号的首尾实现同步，这就难以保证获得较高的测量精度，其误差在一个脉冲之内。由此，当引入多周期同步等精度测量法时，可以较好的解决这个问题。

多周期同步等精度测量法的原理是：电路需引入一个比被测信号频率高若干倍的内部时基信号，测量结果的误差范围便在这一个时基信号范围内。首先由相应的控制电路给出闸门开启信号（称预开闸门），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正开始计数（称真开闸门）。然后，两组计数器分别对被测信号和时基信号脉冲计数，当控制电路给出闸门关闭信号（称预关闸门），此时计数器并不停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正停止计数（称真关闸门）这样，闸门时间是由时基信号脉冲的个数决定的，因此精确度较高，并且和被测信号基本同步，因此，其测量精确度极高。其时序图如图1-4所示，原理框图略。

图1-4多周期同步等精度测量法时序图

被测闸门信号

高频基准信号

实际检出已知信号

预开闸门信号 被测信号 实际检出被测信号 真开闸门信号

时基脉冲信号 实际检出时基脉冲信号

二、直接测频频率计的部件分析

1、被测信号的限幅、放大、整形

根据课题要求，输入信号在100mV 至100V 之间都要能使电路可靠工作，这就需要在电路设计上加以考虑。即对较小的信号要具有放大的功能；对较大的信号要具有限幅的功能，并且最终都要经过整形成为矩形波才能被数字电路所识别。如图2-1的框图所示。

图2-1 被测信号的限幅、放大、整形框图

2、基准闸门信号

根据题目要求，采用直接测频法实施本文设计项目，那么就需要一个基准的闸门信号。闸门时间为1S ，在给定的 1S 时间内对信号波形计数，首先必须获得稳定与准确的闸门时间，我们用时基精度较高的32768Hz 晶体振荡器通过15级分频而获得精确的1S 闸门信号。如图2-2的框图所示。

图2-2 秒脉冲基准闸门信号的框图

3、闸门及其控制器

控制器所起的作用是：在闸门信号允许的时间内让被测信号通过；闸门时间过后将被测信号挡住不让其通过，这样，后续的计数电路将只对闸门时间内的信号计数。另外，计数器、锁存器和显示器所需要的其他一系列信号（如计数器清0、计数允许、8-4-2-1码锁存以及显示刷新等信号）也由控制器提供。具体框图如图2-3所示。

图2-3闸门及其控制器框图

4、计数器

经过闸门送过来的被测信号是一堆总的脉冲的数量，必须按10进制位取分出来，因此需要用10进制计数器来对这一堆脉冲数计数，每计满10个数后再从头计数，同时往上进位；被进位的这一位每进满10个数后再从头进位，同时也要往上进位……。需要多少位显示就设置多少个10进制计数器并级联便可。这里用不含分配器的10进制计数器，送出来的是8-4-2-1编码。见图2-4所示的计数器框图。

图2-4 计数器框图

5、锁存器

由于计数器输出的8-4-2-1码随着计数值的不断变化而时刻跟随着变化，如果直接送译码器译码后则其显示器显示的数会不停的变化。解决这个问题的方法是：计数器在闸门时间内的计数过程中其8-4-2-1码不传送给译码器译码显示，而在闸门时间到达后（此时计数器也停止了计数）将计数的结果在传送给译码器译码显示并一直保持，则我们就不会看到显示器不停的在（计数）的现象，而是稳定的显示出闸门时间内计数的结果。用什么样的功能电路能实现此目的呢？用锁存器电路（也就是D 触发器，多路的D 触发器）。见图2-5锁存器框图。

图2-5 锁存器框图

6、译码器和驱动器

所谓译码器就是实现能将一种代码翻译成另一种代码。由于本课题规定了用LED 数码管，所以，译码器要能将8-4-2-1码翻译成7段LED 显示码，即BCD-7段译码器。由于LED 数码管显示器需要较大的电流，因此，往往还需要在译码器的后一级增加驱动器。见图2-6译码器框图。

图2-6译码器框图

8-4-2-1

锁存控制信号

8-4-2-1

8-4-2-1 g f e d c b a