數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作

數(shù)字頻率計的設(shè)計（解析）在電子產(chǎn)品制作與調(diào)試過程中，經(jīng)常需要對信號的頻率進行測量，頻率計就是用來測量各種信號頻率的一種裝置，一般要求它能直接測量方波、三角波、正弦波等各種周期信號的頻率。

通過此制作項目可以進一步掌握電子產(chǎn)品的設(shè)計與制作方法，加深我們對數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認識，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計、制作與調(diào)試的方法和步驟。數(shù)字頻率計的設(shè)計1設(shè)計指標

設(shè)計并制作出一種數(shù)字頻率計，其技術(shù)指標如下：①頻率測量范圍：1Hz～99.99kHz②輸入電壓幅度>20mV③輸入信號波形：方波、三角波、正弦波、鋸齒波④顯示位數(shù)：4位⑤量程：分為兩檔×1、×10⑥電源：220V、50Hz2數(shù)字頻率計的組成頻率，就是周期信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率fx可表示為：fx=N/T如果我們在1秒鐘內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計的原理框圖如圖所示，它由放大整形電路、閘門電路、計數(shù)器電路、譯碼顯示電路、時基電路和邏輯控制電路幾部分組成。主要波形3數(shù)字頻率計單元電路設(shè)計與仿真

1．放大、整形電路設(shè)計與仿真

為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。設(shè)計中采用運放構(gòu)成過零比較器來實現(xiàn)，這時只要待測信號電壓達到20mV（由運放參數(shù)決定）以上，即可將輸入方波、三角波、正弦波或鋸齒波整形成能被計數(shù)器識別的矩形脈沖信號。電路如圖所示。

運放構(gòu)成的過零比較器在數(shù)字頻率計中，我們設(shè)計了×10擋對輸入信號進行10分頻，可實現(xiàn)10倍擴展。當數(shù)字頻率計打到×10檔時，此時被測信號的實際頻率是顯示值乘以10?！?0擋電路由LM833構(gòu)成的電壓跟隨器和十進制計數(shù)器74LS160組成，如圖所示。

×10擋電路2．時基和控制電路設(shè)計與仿真

（1）時基電路

數(shù)字頻率計中，由于要對被測信號在單位時間內(nèi)不斷地進行采樣，所以就需要有能不斷地產(chǎn)生持續(xù)時間為1s的標準時間信號，產(chǎn)生這種信號的電路就是時基電路。設(shè)計中使用的時基電路如下圖所示。圖中晶振的頻率是32768Hz，兩個電容C1、C2是頻率校正電容，可采用半微調(diào)電容。由于CD4060最大只能實現(xiàn)214=16384級分頻，且晶振頻率為32768Hz，則由CD4060的13腳輸出的脈沖的頻率是32768Hz÷16384=2Hz，而我們需要正負脈沖持續(xù)時間均為1s的0.5Hz脈沖，因此還需要一個芯片實現(xiàn)4分頻。時基電路

4分頻電路（2）控制電路控制電路的作用是：產(chǎn)生一鎖存保持信號，使1s內(nèi)的計數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）顯示一段時間，以便觀察者看清并記錄下來，接下來輸出一清零脈沖，使計數(shù)器的原記錄數(shù)據(jù)被清零，準備下次計數(shù)?？刂齐娐樊a(chǎn)生的鎖存信號應(yīng)在1s計數(shù)結(jié)束后，即0.5Hz正半周結(jié)束后下降沿產(chǎn)生。清零信號應(yīng)在鎖存信號產(chǎn)生后產(chǎn)生。具體的設(shè)計的電路如圖所示。

3．計數(shù)、譯碼、顯示電路設(shè)計與仿真（1）計數(shù)電路計數(shù)電路是對經(jīng)過整形的脈沖信號進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果送到譯碼電路。將4個74LS160連接起來實現(xiàn)多進制計數(shù)的電路如右圖所示。

（2）譯碼顯示電路譯碼電路是把計數(shù)器輸出的BCD碼表示的10進制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。在設(shè)計中，我們將10進制計數(shù)器74LS160的輸出端Q0Q1Q2Q3 分別接到CD4511的ABCD輸入端，將、端接高電平，LE端接74LS123的13腳輸出的鎖存信號。具體電路如圖所示。圖是CD4511和74LS160配合而成一位計數(shù)顯示電路，若要多位計數(shù)，只需將計數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一塊CD4511和LED數(shù)碼管即可。8.2數(shù)字頻率計的PCB設(shè)計與制作1．原理圖（a）電源濾波電路

（b）放大、整形、10分頻電路（c）時基和控制電路

方案二從原理圖可知，被測信號Vx經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號Ⅰ，其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標準時間基準信號Ⅱ，具有固定寬度T的方波時基信號II作為閘門的一個輸入端，控制閘門的開放時間，被測信號I從閘門另一端輸入，被測信號頻率為fx,閘門寬度T，若在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率fx=N/THz。可見，閘門時間T決定量程,通過閘門時基選擇開關(guān)選擇,選擇T大一些,測量準確度就高一些,T小一些,則測量準確度就低.根據(jù)被測頻率選擇閘門時間來控制量程.在整個電路中,時基電路是關(guān)鍵,閘門信號脈沖寬度是否精確直接決定了測量結(jié)果是否精確.邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖Ⅳ，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖Ⅴ，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。1.放大整形電路放大整形電路可以采用晶體管3DGl00和74LS00，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。2.時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生標準的時間信號，可以由555組成的振蕩器產(chǎn)生，若時間精度要求較高時，可采用晶體振蕩器。由555定時器構(gòu)成的時基電路包括脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路兩部分。（1）555多諧振蕩電路產(chǎn)生時基脈沖采用555產(chǎn)生1000HZ振蕩脈沖的參考電路如圖4-2-7所示。電阻參數(shù)可以由振蕩頻率計算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。(2)分頻電路由于本方案中需要1s、0.1s、10ms、1ms四個閘門時間，555振蕩器產(chǎn)生1000HZ，周期為1ms的脈沖信號，需經(jīng)分頻才能得到其他三個周期的閘門信號，可采用74LS90分別經(jīng)過一級、二級、三級10分頻得到。3.邏輯控制電路在時基信號II結(jié)束時產(chǎn)生的負跳變用來產(chǎn)生鎖存信號Ⅳ，鎖存信號Ⅳ的負跳變又用來產(chǎn)生清“0”信號V。脈沖信號Ⅳ和V可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LSl23產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。觸發(fā)脈沖從B端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一正脈沖,Q非端可獲得一負脈沖，其波形關(guān)系正好滿足Ⅳ和V的要求。手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清“0”。4.鎖存器鎖存器的作用是將計數(shù)器在閘門時間結(jié)束時所計得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值．閘門時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號Ⅳ，將此時計