簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)

熊雪蘭 安徽理工大學(xué)

1.緒論

數(shù)字頻率計(jì)是一種專(zhuān)門(mén)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)的電子測(cè)量?jī)x器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其他周期性變化的的信號(hào)。測(cè)量頻率的方法有兩種：測(cè)頻法和測(cè)周法。

測(cè)頻法是將被測(cè)信號(hào)加到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，用時(shí)基信號(hào)來(lái)控制計(jì)數(shù)周期，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期為2T(半個(gè)周期計(jì)數(shù)，半個(gè)周期處理數(shù)據(jù))，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值為N,則被測(cè)信號(hào)頻率為f=N/T，改變T,則可改變測(cè)量頻率的范圍。當(dāng)T=1s時(shí)，計(jì)數(shù)器測(cè)得的數(shù)據(jù)N即為被測(cè)頻率。用該方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)被測(cè)頻率越大時(shí)，誤差越小，被測(cè)頻率越小時(shí)，誤差越大，為了減小這種誤差，我們可以通過(guò)增大T來(lái)實(shí)現(xiàn)，讓誤差控制在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

而測(cè)周法是用被測(cè)信號(hào)來(lái)控制計(jì)數(shù)周期，把標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加到計(jì)數(shù)器，這樣計(jì)數(shù)器得到的值就是被測(cè)信號(hào)的周期值，然后求其倒數(shù)，就得到所測(cè)頻率值。

本文講述了使用測(cè)頻法設(shè)計(jì)頻率計(jì)的原理以及各個(gè)組成部分的結(jié)構(gòu)與作用。

2.電路基本原理

脈沖信號(hào)的頻率就是在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T。

實(shí)驗(yàn)使用石英晶振作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生源，產(chǎn)生精度極高的頻率，經(jīng)分頻后可獲得各種石基脈沖，在此次試驗(yàn)主要產(chǎn)生周期分別為2s和20s的基準(zhǔn)信號(hào)，用它們的半個(gè)周期計(jì)數(shù)，半個(gè)周期處理數(shù)據(jù)（當(dāng)被測(cè)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)打向2s的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)頻率較低時(shí)，開(kāi)關(guān)打向20s的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大變成矩形脈沖加到計(jì)數(shù)器的輸入端，將石基信號(hào)接計(jì)數(shù)器的鎖定允許端，在石基信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，使得計(jì)數(shù)器在石基信號(hào)高電平計(jì)數(shù)，低電平時(shí)鎖存，停止計(jì)數(shù)，同時(shí)，利用基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生的低電平有效的控制邏輯，通過(guò)一譯碼器輸出清零信號(hào)，完成對(duì)計(jì)數(shù)器的清零作用，為后續(xù)新的取樣做好準(zhǔn)備，鎖住一次顯示的數(shù)據(jù)，保留到新的一次取樣為止。

數(shù)字頻率計(jì)是用于測(cè)量方波，正弦波或其他脈沖信號(hào)的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)字表示，它具有精度高，測(cè)量迅速，讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.各部分電路設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)基電路

時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，該信號(hào)由頻率為32768HZ的晶振，經(jīng)過(guò)14位CD4060分頻成2HZ的信號(hào)輸出后，再通過(guò)74HC160和74HC161組合分頻，分別得到所要求的0.5HZ和0.05HZ的石基信號(hào)。

3.2 放大整形電路

為了測(cè)量不同類(lèi)型和幅值的交流信號(hào)，要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，從而輸出能夠被計(jì)數(shù)器識(shí)別的方波信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用由增益帶寬為15MHZ的運(yùn)算放大器LM833構(gòu)成的過(guò)零比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，,被測(cè)信號(hào)3號(hào)腳輸入，1號(hào)腳輸出，整形成方波信號(hào)。再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管1N4731A穩(wěn)壓成幅度為5V的信號(hào)。

3.3 控制電路

頻率計(jì)若想實(shí)現(xiàn)往復(fù)的計(jì)數(shù)功能，這就需要控制電路在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)出鎖存與清零信號(hào)，計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)直接由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)來(lái)控制，而清零功能由2線-4線譯碼器74HC139來(lái)實(shí)現(xiàn)，使標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)與芯片的選通輸入和地址輸入相接，則輸出端Y1非的信號(hào)便可以控制計(jì)數(shù)器的清零端。

3.4 計(jì)數(shù)與鎖存電路

計(jì)數(shù)與鎖存功能由CD4553來(lái)實(shí)現(xiàn)，CD4553是3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但只有一個(gè)輸出端，要完成3位輸出，采用掃描輸出方式，通過(guò)它的選通脈沖信號(hào)，依次控制3位十進(jìn)制的輸出，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示方式。其中MR引腳接受清零信號(hào)（只清計(jì)數(shù)器部分），高電平有效，LE端為鎖定允許，當(dāng)該端為低電平時(shí), 3組計(jì)數(shù)器的內(nèi)容分別進(jìn)入 3組鎖存器,當(dāng)該端為高電平 時(shí),鎖存器鎖定,計(jì)數(shù)器的值不能進(jìn)入。

3.5 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路可由BCD七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器CD4543來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要輸入BCD碼就可于多種不同的數(shù)碼管顯示0至9，如接共陽(yáng)極LED，則Ph置“1”另Bl（Blanking）如果置“1”或輸入0至9以外的數(shù)值，顯示會(huì)空白（黑屏），LD（Latch Disable）置“0”會(huì)鎖存最近一次輸入的數(shù)字，本次設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極接法。系統(tǒng)總電路圖如下所示(注：當(dāng)測(cè)低頻信號(hào)時(shí)，需點(diǎn)亮次高位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)，即合上與之連接的開(kāi)關(guān))。

4.總結(jié)

通過(guò)這次對(duì)簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)電路的設(shè)計(jì)，讓我了解了電路設(shè)計(jì)的基本步驟，還有頻率計(jì)的原理與設(shè)計(jì)理念。像這種綜合性的設(shè)計(jì)需要理論與實(shí)踐的結(jié)合，讓我學(xué)會(huì)了快速查找有用資料的方法，也鍛煉了我的動(dòng)手能力，這對(duì)于工科學(xué)生是很有幫助的。