数字频率计的基本原理

数字频率计的基本原理

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. 输入信号波形：任意周期信号。输入电压

幅度

>300mV 。

3. 电源：220V 、50Hz

4. 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

1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

2 (a )所示100Hz 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(b) 所示100Hz 的矩 形波。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。

图1数字频率计框图

彼测信号

图2全波整流与波形整形电路的输出波形

(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2所示的100Hz信号进行100

分频得到如图3( a)所示周期为1S的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3( 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。

图3 分频器的输出波形

分频器可以采用教材中介绍过的方法，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，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。

5. 实际参考电路

根据系统框图，设计出的电路如图4所示。

2

图4数字频率计电路图

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。

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

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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Q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74HC4518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，Q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Q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!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2（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3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

用示波器观测整形电路U1A（74HC14）的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率

一致、信号幅值为5V左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不

对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正

常工作，则检测控制门。

7）控制门检测

检测控制门U3C（74HC11输出信号波形，正常时，每间隔1S时间，可以在荧屏上观测

到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常，并