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简易数字频率计设计

南京理工大学紫金学院

电子工程与光电技术系

2014.09

姓名：

学号：

专业：电子科学与技术

日期：2014年9月20日

南京理工大学紫金学院电光系

一．引言

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。

1设计要求

（1）输入信号：正弦、三角和方波；

频率：1Hz~10KHz；

幅度：峰-峰值0.3V~5V；

（2）频率计通带：100Hz~2KHz；

（3）量程范围：0~99；

（4）闸门时间：1s；

（5）采样周期：≥2s；

（6）实现自动测频、自动清零、数据显示和保持功能。

2.1电子计数器测频原理

周期性信号在单位时间内重复出现的次数，称为电流/电压的频率。

频率计又称为频率计数器，是一种专门对信号频率进行测量的电子测量仪器，不论频率计技术指标如何定义，其基本工作原理都类似，频率测量原理如图3。

图3频率测量基本原理图

若在一定的时间间隔T内的计得这个周期性信号的重复次数为No时，则被测信号的频率F为：

F=No/T

式中：F为频率，单位为Hz。No为计数器计数值，计数器计数定时时间为T。

一般的数字式频率计主要由四个部分构成：输入电路、闸门电路，计数显示电路和控制电路，频率和周期测量原理框图如图4。

式中：F为频率，单位为Hz。No为计数器计数值，计数器计数定时时间为T。

一般的数字式频率计主要由四个部分构成：输入电路、闸门电路，计数显示电路和控制电路，频率和周期测量原理框图如图4。

图4频率和周期测量原理方框图

在一个频率测量的周期过程中，被测频率信号在输入电路中经过放大、滤波和整形、形成特定的被测脉冲，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（定时计数信号）。在闸门脉冲开启主门的期间，特定的被测脉冲才能通过主门，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。

2.2周期测量原理

周期测量原理框图如图4，脉冲宽度测量计算公式：

T=No*To

式中：T为被测脉冲宽度，单位为s，To为时标，No为计数器计数值。

2.3简易数字频率计原理框图简易数字式频率计主要由输入信号调理器、闸门电路，计数、译码、显示、清0、时基和逻辑控制电路等组成，原理框图如图5。LED 显示

被测信号计数、译码信号调理时基信号发生器

清零电路闸门信号产生图5简易数字式频率计方框图

3电路设计

3.1简易数字频率计电原理图

基于模电数电技术的数字频率计电原理图如图6。

图6简易频率计电原理图

3.2工作原理

如图6，本设计主要包括电压放大、有源带通滤波、比较器、单稳电路、闸门信号发生器、计数、译码驱动、显示、时基和逻辑控制电路等。

（1）输入信号通过放大器放大，有源带通滤波器选频，电压比较器整形后，频率计进行测频。

（2）由NE555产生周期约2s 的时基信号，是频率计的主要工作时序，在该信号的一个周期的时间内，频率计可以完成清零，计数、显示和计数结果保持，在

下一周期时重复上述过程。简易频率计工作波形示意图如图7。图7简易频率计工作波形示意图

（3）用NE555时基信号发生器产生的周期信号的上升沿，触发由74LS123电路构成的单稳态发生器1，产生对计数器清零的脉冲信号，使计数器在工作前归零，该脉冲信号的宽度一般约1ms 左右，由该单稳态电路的RC 参数值决定。

（4）计数器清零后，需要一个闸门信号控制计数器的计数，用清零脉冲信号的下降沿，触发另一个单稳电路2，从而产生一个标准的1s 闸门信号。在该闸门信号持续时间内，计数器可以计数，频率计完成对被测信号的测频。闸门信号的宽度为1s 左右，由单稳态电路2的RC 参数值决定。

（5）二级十进计数器电路由两个74LS160组成，译码驱动与显示电路由74LS47和七段共阳数码管组成。

4单元电路设计与安装

4.1信号调理器

（1）放大器

该放大器可以把技术指标规定的输入信号放大到足够的电平，以驱动后面的电压比较器，放大器可采用OP07集成运放，如图8所示。U1OP07CH 3247681R11kΩR2

1kΩ

VCC

5V

GND

GND VCC

C1

1uF R31kΩ

1

VCC

5V VCC 342

图8由OP07构成的放大器电路

（2）带通滤波器

带通滤波电路的设计中心频率为1KHz左右，通带宽度BW=100Hz左右。

巴特沃斯滤波器：特点是带内带外最佳平稳，但低阶的过度带比较宽。

切比雪夫滤波器：特点是过度带可以很窄，但带内带外幅频震荡比较严重。

典型的有源带通滤波器电路如图9。带通滤波器中心频率和带宽的调整：带通滤波器的中心频率和带宽主要是由滤波器中RC元件参数确定，通常可先选定电容器C值，再调节电阻阻值，一般可采用电位器调节。带通滤波器采用集成运放OP07。

图9典型的有源带通滤波器电路

（3）比较器

比较器电路如图10，电压比较器的主要作用是把输入模拟信号转换成数字信号，使计数器可以对输入信号正确计数，电压比较器参考端的基准电压调整为1.0V左右，当输入端电压大于参考端电压时，该比较器电路实现翻转，完成对输入信号的整形。电压比较器可采用LM339，该芯片中含四个独立的比较器电路，由于其输出端为集电极开路，必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。

图10电压比较器电路