频率计的设计

一、数字频率计的设计与制作

一、问题引入

在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。

二、设计目的

本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。

三、设计要求

设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：

（1）频率测量范围：10 ～9999Hz 。

（2）输入电压幅度>300mV 。

（3）输入信号波形：任意周期信号。

（4）显示位数：位。

（5）电源：220V 、50Hz

四、所需仪器仪表

示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。

五、设计内容、方法与步骤：

1、设计内容

1）数字频率计的基本原理

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。

2）系统框图

从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图8.3 所示的电路框图。

下面介绍框图中各部分的功能及实现方法

（1）电源与整流稳压电路

框图中的电源采用50Hz 的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。

（2）全波整流与波形整形电路

本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz ，即在1 ％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图1所示100Hz

图1 数字频率计框图

的全波整流波形。波形整形电路对100Hz 信号进行整形，使之成为如图2所示100Hz 的矩形波。

图2 全波整流与波形整形电路的输出波形

波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。

（3）分频器

分频器的作用是为了获得1S 的标准时间。电路首先对图1所示的100Hz 信号进行100 分

频得到如图2（a ）所示周期为1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图8.5 （b ）所示占空比为50 ％脉冲宽度为1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

分频器可以采用第 5 章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用触发器来实现。

（4）信号放大、波形整形电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，

图3 分频器的输出波形

使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。

（5）控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。

（6）计数器

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。可以选用现成的10 进制集成计数器。

（7）锁存器

在确定的时间（1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。

（8）显示译码器与数码管

显示译码器的作用是把用BCD 码表示的10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。

3）实际电路

根据系统框图，设计出的电路如图4 所示。图中，稳压电源采用7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求.

对100Hz 全波整流输出信号的分频采用7 位二进制计数器74HC4024 组成100 进制计

数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024 的Q7 、Q6 、Q3 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数1100100 （十进制数为100 ）时，计数器异步清零。

实现100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（10mS ）为高电平。

图 4 数字频率计电路图

电路中采用双JK 触发器74HC109 中的一个触发器组成触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为1S 、周期为2S 的方波。从触发器Q 端输出的信号加至控制门，确保计数器只在1S 的时间内计数。从触发器端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。

被测信号通过741 组成的运算放大器放大20 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11 组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。

频率计数器由两块双十进制计数器74HC4511 组成，最大计数值为9999Hz 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在JK 触发器Q 端为高电平时进行。当JK 触发器Q 端跳变至低电平时，端的由低电平向高电平跳变，此时，8D 锁存器74HC374 （上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于74HC4518 为异步高电平清零，所以将JK 触发器的同100Hz 脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10mS ）以后再进行。

显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS 电路74HC4511 ,4 个数码管采用共阴方式，以显示4 位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz 的要求。

2 方法与步骤

1) 器件检测

用数字集成电路检测仪对所要用的IC 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED 数码管进行检测，检测方法由自己确定。

2) 电路连接

在自制电路板上将IC 插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC 等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC 。

3) 电源测试

将与变压器连接的电源插头插入220V 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图13.5(a) 所示波形。

4) 基准时间检测

关闭电源后，插上全部IC 。依次用示波器检测由U1(74HC4024) 与U3A 组成的基准时间计数器与由U2A 组成的触发器的输出波形，并与图13.6 所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1 、U3,U2 各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。

5) 输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在1V 左右频率为1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。

6 ）输入放大与整形电路检测