频率计

频率计

一、频率计的基本原理：

频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T（如右图所示）。

频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

二、频率计的应用范围：

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。

在计量实验室中，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。

三、频率计厂商介绍：

目前，市场上的频率计厂家可分为三类：中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家。其中，欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。

欧美频率计厂家主要有：Pendulum Instruments 和Agilent科技。

Pendulum Instruments 公司是一家瑞典公司，总部位于瑞典首都斯德哥尔摩。Pendulum 公司源于Philips公司的时间、频率部门，在时间频率测量领域具有40多年的研发生产经历。Pendulum Instruments 公司常规频率计型号主要有：CNT-91、CNT-90、CNT-81、CNT-85。同时，Pendulum Instruments公司还推出铷钟时基频率计CNT-91R、CNT-85R。以及微波频率计CNT-90XL（频率测量范围高达60G）。

Agilent科技公司是一家美国公司，总部位于美国的加利福尼亚。Agilent科技公司成立于1939年，在电子测量领域也有着70多年的研发生产经历。Agilent科技公司的常规频率计信号主要有：53181A、53131A、53132A。同时，Agilent科技公司还推出微波频率计：53150A，53151A，53152A（频率测量范围最高可达46G）

4.2.3简易数字频率计电路设计

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。

一、设计目的

1. 了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理；

2. 熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。

二、设计任务与要求

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，具体指标为：

1.测量范围：1HZ—9.999KHZ，闸门时间1s；

10 HZ—99.99KHZ，闸门时间0.1s；

100 HZ—999.9KHZ，闸门时间10ms；

1 KHZ—9999KHZ，闸门时间1ms；

2.显示方式：四位十进制数

3. 当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

三、数字频率计基本原理及电路设计

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，总体结构如图4-2-6：

图4-2-6数字频率计原理图

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。

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

由于本设计中需要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。

图4-2-7 555多谐振荡电路

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 ”。参考电路如图4-2-8

图4-2-8数字频率计逻辑控制电路

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，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能．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。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。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．

5.报警电路

本设计要求用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。电路如图4-2-9：