简易数字频率计电路设计

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。

一、设计目的

1. 2.

了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理；

熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。

二、设计任务与要求

要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示，具体指标为： 1.测量范围：1HZ—9.999KHZ，闸门时间1s；

10 HZ—99.99KHZ，闸门时间0.1s； 100 HZ—999.9KHZ，闸门时间10ms； 1 KHZ—9999KHZ，闸门时间1ms；

2.显示方式：四位十进制数

3. 当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

三、数字频率计基本原理及电路设计

所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成，总体结构如图4-2-6：

整 形闸计锁译显Ⅲ 放数存码示 大门Ⅰ 电器器器器

路 Ⅱ Ⅳ Ⅴ

时 基 电 路 逻 辑 控 制 电 路

Ⅰ

Ⅱ T

Ⅲ

N 锁存信号 Ⅳ

Ⅴ

清零信号

图4-2-6数字频率计原理图

从原理图可知，被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与

被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。

1.放大整形电路

放大整形电路可以采用晶体管 3DGl00和74LS00，其中3DGl00组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。

2.时基电路

时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。

（1）555多谐振荡电路产生时基脉冲 Vcc采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电R1路如图4-2-7所示。电阻参数可以由振荡频率

R2 8 4计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。

5 3（2） 分频电路 62由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期7 1为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三

0.01µF个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。

图4-2-7 555多谐振荡电路

3. 逻辑控制电路

在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。触发脉冲从B端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲, Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“ 0 ”。参考电路如图4-2-8

Vcc5VR1 10KΩC12nFCRA清零74LS123QR2 10KΩ74LS123&R310KΩVcc5VCC22nFQQRABQ时基信号B 图4-2-8数字频率计逻辑控制电路

4.锁存器

锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能．当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn 不变．所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器．

5.报警电路

本设计要求用4位数字显示，最高显示为9999。超过9999就要求报警，即当千位达到9（即1001）时，如果百位上再来一个时钟脉冲（即进位脉冲），就可以利用此来控制蜂鸣器报警。电路如图4-2-9：

QD&

QA 200HZ

进位脉冲

图4-2-9 数字频率计报警电路

四、调试要点

1.通电准备 打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下电路板上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点电源电压值，之后再关掉电源，插上集成块。 2.单元电路检测

接通电源后，用双踪示波器 ( 输人耦合方式置 DC 档 ) 观察时基电路的输出波形，看其是否满足设计要求，若不符合，则调整R1和R2。然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察 74LSl23

的第13 脚和第10 脚的波形是否为锁存脉冲Ⅳ和清零脉冲 V 的波形。

将 4 片计数器 74LS90 的第 2 脚全部接低电平，锁存器 74LS273 的第 11 脚都接时钟脉冲，在个位计数器的第 14 脚加入计数脉冲，检查 4 位锁存、译码、显示器的工作是否正常。 3.系统连调

在放大电路输入端加入Vpp=1v ，f=1kHz 的正弦信号，用示波器观察放大电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000Hz 。

五、总结报告

1.总结数字频率计设计、安装与调试过程。

2.分析安装与调试中发现的问题及故障排除的方法。 3.分析减小测量误差的方法。