一種實用數字頻率計的實現方法

高躍東 蔣家強

摘 要：目前測量頻率的方法主要有計數法和周期法兩種[1]，其計數工作一般需要使用單片機來完成，雖然測量精度較高，但也會增加設計的工作量。本文介紹一種利用低頻頻壓轉換芯片設計高頻數字頻率計的方法，不僅可實現對高達200kHz脈沖信號的測量，而且還能夠大幅度降低設計成本。

關鍵詞：頻率計；頻壓轉換；高頻電源；分頻器

一、原理分析

本文的基本思想是將被測脈沖信號轉換為電壓信號，找到頻率與電壓間的線性關系，最后通過測量電壓來實現測量頻率的目的。在選擇頻率電壓轉換芯片（VFC）時發現，工作頻率超過200kHz的頻率電壓轉換芯片，如VFC320、AD650等，其內部集成的功能多，精度高，但成本也相對較高。本文選擇成本較低的LM331芯片配合雙D觸發器來設計，其原理框圖見圖1所示。由于LM331的工作頻率只能達到100kHz，需要先對被測信號（最高頻率200kHz）進行4分頻，即將0～200kHz的被測信號轉化為0～50kHz的信號，再利用VFC芯片轉化為0～2V的電壓，最后通過控制數字電壓表的小數點和單位實現0～200kHz頻率的顯示。實驗中用控制芯片SG3525產生被測PWM信號，雙D觸發器實現對輸入信號的整形和4分頻。

二、電路設計

LM331是NS公司生產的單片頻壓轉換芯片，可用作精密頻率電壓轉換或電壓頻率轉換，為DIP8封裝。它的工作頻率范圍在1～100kHz之間，最大非線性失真小于0.01%，圖2是LM331用作頻壓轉換時的外圍電路，工作原理見圖1。

輸入脈沖信號經R3、Cin組成的微分電路接入比較器的負極（6腳），正極（7腳）接R1、R2的分壓信號。在每個脈沖信號的下降沿，微分電路使6腳出現一個負的窄脈沖，此時7腳電平高于6腳，芯片內部的定時比較器輸出高電平，內部恒流源經1腳向CL充電。與此同時，復位晶體管導通，接于5腳的Ct迅速對地放電[2]。

當Ct的電壓下降至低位時，定時比較器將輸出低電平，恒流源停止向CL充電，等待下一個時鐘下降沿的到來。CL的充電時間是由Ct和Rt組成的暫穩態電路決定的，輸入信號的頻率越高，在單位時間內向CL的充電次數也越多，CL兩端的電壓也就越高，從而實現了頻率與電壓的轉換。

三、元件參數的計算方法

本次設計的最高頻率為200kHz，經4分頻后是50kHz，完成轉換后的電壓最大值為2V，即200kHz的頻率對應2V的電壓。如果使用量程是0～199兩位半的數字電壓表顯示，則可實現200kHz對應1.99V，100kHz對應1.00V等一一對應的關系。電路的主要參數可按以下步驟計算[3]。

第一步：確定充電時間Tw。由上述分析可知，Tw必須小于輸入信號的周期T（20μs），如果預先將Rt定為2k，則可計算出Ct的最大值為0.0091μF，設計中選擇0.0047μF即可。

第二步：確定恒流源的電流Ir。根據芯片的技術資料，其值一般在100～500μA之間，即Rs和Rws的阻值應該在3.8k至19k之間，設計時使用一個5k的電阻和一個10k的滑動變阻器實現調節，最后將通過調節此阻值來實現200kHz與2V的對應。

第三步：確定輸出電阻RL。將第二步中Rs和Rws的阻值確定在一個中間值10k，即可計算出RL的值為14.6k。濾波電容RL的選擇主要影響輸出電壓的紋波，如果其值較大，輸出電壓會相對平滑一些，但電壓與頻率的跟蹤也會變得緩慢，設計中選擇1μF比較合理。

四、調試結果

頻率計的設計思想是將0～200kHz的方波信號經四分頻器轉化到0～50kHz，再用LM331將頻率信號轉化為電壓信號顯示。圖3中黃色波形為輸入的PWM信號，藍色波形為分頻器輸出信號，可以看到，信號頻率變成原來的四分之一，波形質量也較好，增加了抗干擾的能力。

圖3中的方波信號經過LM331外接微分電路后，在比較器負極（6腳）和正極（7腳）得到的信號如圖4所示，在輸入脈沖下降沿時7腳的電平高于6腳，從而觸發內部電流源向外接電容充電。通過調整充電電流的大小（2腳的滑動變阻器），使輸入脈沖頻率為50kHz時對應輸出電壓為2V，如圖5所示。

改變輸入信號的頻率，記錄部分頻率點與輸出電壓的對應關系如表1所示，可以看到，基本實現了頻率與電壓的一一對應關系。

五、結語

實踐表明，利用頻壓轉換芯片配合雙D觸發器設計數字頻率計有三個好處。

（1）節約成本。使用VFC320、AD650等工作頻率較高的VFC芯片，其單支芯片的價格在數十元，而使用LM331芯片和雙D觸發器設計成本僅需幾元。

（2）增加了抗干擾的能力。通過雙D觸發器后的4分頻信號占空比為50%，信號質量較好，可以克服在調節PWM信號占空比時造成對頻壓轉換的影響。

（3）可擴展性強。如果要設計頻率超過200kHz的頻率計，可通過8分頻或16分頻來實現。對于精度要求不是很高的數字頻率計來說，此種設計方法具有很強的實用性。

參考文獻

[1] 尹海峰，尹海潮，孫樹強.頻率的測量在單片機設計中的運用[J].科技信息，2008（7）：37-38.

[1] 呂建國.一種用LM331實現的頻率/標準電壓轉換電路[J].四川大學學報，2004（41）：262-263.

[1] 林健.LM331的V/F電路調試中的若干問題分析[J].集成電路應用，1995（2）：36-39.