数字频率计的基本原理

1、数字频率计的基本原理设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下： 1频率测量范围： 10 9999Hz 。 2输入信号波形：任意周期信号。输入电压幅度 300mV 。 3电源： 220V 、 50Hz4. 系统框图 从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图1所示的电路框图。 图1 数字频率计框图下面介绍框图中各部分的功能及实现方法 （1）电源与整流稳压电路 框图中的电源采用50Hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。 （2）全波整流与波形整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按

2、国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz，即在1的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz交流市电进行全波整流，得到如图2（a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形电路对100Hz信号进行整形，使之成为如图2(b)所示100Hz的矩形波。波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。图2 全波整流与波形整形电路的输出波形（3）分频器 分频器的作用是为了获得1S的标准时间。电路首先对图2所示的100Hz信号进行100分频得到如图3（a）所示周期为1S的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3（b）所示占空比为50脉冲

3、宽度为1S的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S时间内通过控制门的被测脉冲的数目。 图3 分频器的输出波形分频器可以采用教材中介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用触发器来实现。 （4）信号放大、波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。 （5）控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门

4、可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。 （6）计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz，应采用4位十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。 （7）锁存器 在确定的时间（1S）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。 （8）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段

5、信号，以获得数字显示。 选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。 5. 实际参考电路 根据系统框图，设计出的电路如图4所示。 图4 数字频率计电路图图中，稳压电源采用7805来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。 对100Hz全波整流输出信号的分频采用7位二进制计数器74HC4024组成100进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数 1100100（十进制数为100）时，计数器异步清零。实现 100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数

6、脉冲为低电平时保持一段时间（10mS）为高电平。 电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组成触发器，它将分频输出脉冲整形为脉宽为1S、周期为2S的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保计数器只在1S的时间内计数。从触发器端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。 频率计数器由两块双十进制计数器74HC4518组成，最大计数值为9999Hz。由于计数器受控制门控制，每

7、次计数只在JK触发器Q端为高电平时进行。当JK触发器Q端跳变至低电平时，端的由低电平向高电平跳变，此时，8D锁存器74HC374(上升沿有效)将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于74HC4518为异步高电平清零，所以将JK 触发器的同100Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10mS）以后再进行。 显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS电路74HC4511，4个数码管采用共阴方式，以显示4位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz的要求。2方法与步骤 1） 器件检测 用数字集成电路检测仪对所

8、要用的IC进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。 2） 电路连接 在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC 。3） 电源测试 将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图2(a)所示波形。4） 基准时间检测 关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由U1(74HC

9、4024)与U3A组成的基准时间计数器与由U2A 组成的触发器的输出波形，并与图3所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3、U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。 5） 输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在1V左右频率为1KHz左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。 6） 输入放大与整形电路检测用示波器观测整形电路U1A(74HC14)的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5V左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分

10、电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。 7） 控制门检测 检测控制门U3C(74HC11)输出信号波形，正常时，每间隔1S时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常，并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。 8） 计数器电路的检测 依次检测4个计数器74HC4518时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。 9） 锁存电路的检测 依次检测74HC374锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出