數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)與分析

蘇州大學(xué) 王偉明

一、問(wèn)題的提出

在電子信息領(lǐng)域，僅僅電壓、電流和電阻的測(cè)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足其飛速發(fā)展的要求，所謂一塊萬(wàn)用表在手可走偏天下的時(shí)代也已一去不復(fù)返。目前信號(hào)頻率、電磁輻射、有害氣體等等的測(cè)量要求非常廣泛。價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用的檢測(cè)設(shè)備是普通電子愛(ài)好者需求的目標(biāo)之一。

本文利用價(jià)格低廉的集成電路CD4541、4528、4093、4026設(shè)計(jì)制作一款數(shù)字頻率計(jì)，并對(duì)具體電路進(jìn)行分析。

二、電路功能

頻率是指在1S時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)變化的次數(shù)，單位為Hz，用f來(lái)表示，周期用T來(lái)表示，他們的關(guān)系為：

當(dāng)信號(hào)每秒變化N次，用上式表示的關(guān)系為：

由此可見(jiàn)，數(shù)字頻率計(jì)在1s標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)，測(cè)出信號(hào)變化的次數(shù)，然后再用數(shù)字形式顯示出來(lái)，即完成其功能的主要部分。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)字頻率計(jì)必須具備以下三個(gè)功能部件：

圖1 數(shù)字頻率計(jì)電路功能框圖

圖2 數(shù)字頻率計(jì)電路原理圖

1.能產(chǎn)生1s標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的功能部件。

2.計(jì)數(shù)部件。

3.顯示部件。

電路功能框圖如圖1所示。

三、電路原理

1.電路原理圖

電路原理如圖2所示，被測(cè)信號(hào)經(jīng)“IN”輸入，經(jīng)整形后送到計(jì)數(shù)控制器輸入端，當(dāng)控制定時(shí)器跳變?yōu)楦唠娖剑═H：1s）時(shí)其波形前沿觸發(fā)置零電路，使計(jì)數(shù)器瞬時(shí)置零，同時(shí)閘門(mén)打開(kāi)，信號(hào)通過(guò)，允許計(jì)數(shù)，并通過(guò)LED顯示計(jì)數(shù)值。當(dāng)控制計(jì)時(shí)器為低電平時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)技術(shù)停止，所計(jì)數(shù)值保持不變并被穩(wěn)定顯示。

2.單元電路工作原理分析

1）整形電路和內(nèi)置振蕩

整形電路和內(nèi)置振蕩器單元由集成電路4093中的IC3：A和B組成，集成電路4093內(nèi)部結(jié)構(gòu)是4個(gè)雙輸入與非門(mén)電路組成。

整形：當(dāng)SA置于“外接”時(shí)，IC3：A和B的輸入端分別短接，電路成為反相“非門(mén)”，兩個(gè)反相“非門(mén)”串聯(lián)，則總相位不變。由于門(mén)電路輸入輸出特性，其輸出只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，整形效果較好。但要注意信號(hào)幅度必須足夠大，一般應(yīng)大于4/5電源電壓，否則有可能無(wú)法計(jì)數(shù)顯示。

內(nèi)置振蕩：當(dāng)SA置于“校準(zhǔn)”時(shí)，IC3：B、RP2、RP3、C3構(gòu)成內(nèi)置振蕩器，調(diào)節(jié)RP2（粗調(diào)）與RP3（細(xì)調(diào)）設(shè)定為5000HZ，5V，可作為“校準(zhǔn)信號(hào)”，其原理與門(mén)控振蕩器相仿，這里不再重復(fù)。

2）閘門(mén)

閘門(mén)電路單元主要由集成電路4093中的IC3：C和D組成該電路利用了與非門(mén)任一輸入端輸入為“0”，其他輸入端不再對(duì)輸出狀態(tài)起作用的特點(diǎn)，將IC3：C的一個(gè)輸入端（4093⑨腳），另一輸入端作為信號(hào)輸入，是與非門(mén)變成一個(gè)受控的閘門(mén)。

受控輸入端接控制定時(shí)器輸出端，當(dāng)控制定時(shí)器輸出“0”時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉，無(wú)輸出。當(dāng)控制定時(shí)器輸出“1”，閘門(mén)打開(kāi)，波形輸出與輸入相位一致，能夠傳遞到計(jì)數(shù)器。

3）控制定時(shí)器

控制定時(shí)器單元是由集成電路4541和R1、RP1、C1組成。該電路輸出一周期為2s（TH和TL各為1s）的方波波形，電路主要由R1、RP1、C1選頻電路決定4541的內(nèi)振蕩頻率，再經(jīng)29分頻得到上述波形，當(dāng)輸出Q端為“1”時(shí)閘門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始計(jì)數(shù)，OUT端有波形輸出，LED顯示數(shù)字快速變化，Q端為“0”時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止，LED顯示數(shù)字不再變化，保持，OUT端無(wú)輸出波形。

4）置零電路

置零電路單元主要由集成電路IC2（4528）和R2、C2等組成。該電路是利用脈沖的上升沿進(jìn)行觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，R、C大小決定置零脈沖的寬度，置零脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)的周期，IC2④腳是輸入端，接4541輸出端，當(dāng)接收到“1”信號(hào)上升沿時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正窄脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器置零。窄脈沖過(guò)后，計(jì)數(shù)器恢復(fù)計(jì)數(shù)狀態(tài)。

5）顯示電路

顯示電路單元由4片4026集成電路和4只共陰極LED數(shù)碼管組成。4026集成電路是十進(jìn)制譯碼、直接驅(qū)動(dòng)LED電路，4為十字分別表示千位、百位、十位、個(gè)位。①腳為輸入端，上升沿有效，⑤腳為進(jìn)位信號(hào)輸出端，在本電路中又為高一位計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖。圖2是數(shù)字頻率計(jì)電路原理圖。

四、結(jié)論

本電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能比較齊全，作為電子愛(ài)好者自行設(shè)計(jì)信號(hào)源時(shí)的頻率顯示輔助電路具有一定的實(shí)用性，在調(diào)試過(guò)程中，須將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源接入，SA在“外接”位，信號(hào)源頻率調(diào)節(jié)為5000HZ，然后調(diào)節(jié)定時(shí)器電路阻容網(wǎng)絡(luò)（調(diào)節(jié)RP1），使Q端輸出為T(mén)=2S，即為正電平1S，使閘門(mén)打開(kāi)時(shí)間為1S，操作時(shí)為調(diào)節(jié)RP1使數(shù)碼管顯示5000。SA放到“校準(zhǔn)”位時(shí)，調(diào)節(jié)RP2到中間位，再調(diào)節(jié)RP3使數(shù)碼管顯示5000即完成。

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